The bioeconomy potential of hemp (Cannabis sativa L.) : challenges of new genotypes and cultivation systems to meet the rising demand for phytocannabinoids

Abstract

Cannabis sativa L. as a prime example of a multifunctional crop is excellently suited for recycling management due to its versatility and the usability of the whole plant. Cannabis currently experiences a boom due to its rich phytochemical repertoire, its fibres and valuable oil required in numerous products, and its unique agricultural properties. The medical benefits of C. sativa, based on the phytocannabinoids available in flowers and leaves, are the main focus of attention worldwide. Innovative markets in the food, cosmetics and pharma industry are growing fast, with a focus on cannabidiol (CBD), which is the leading cannabinoid of the cannabis plant. Basically, it is important to differentiate between industrial hemp genotypes and phytocannabinoid-rich (PCR) cannabis genotypes. Industrial hemp meet the 0.2% THC limit mandated by the EU legislation, and therefore, can be legally cultivated by farmers on a field scale. PCR genotypes contain high amounts of non-psychoactive cannabinoids such as CBD and cannabigerol (CBG) in the range of 10 30% while their THC content is also below 0.2%. These genotypes are currently being bred but are still barely available on the market. Cannabinoid extraction from industrial hemp cultivated on a field scale could provide a decisive advantage as the harvested biomass quantities could be significantly increased through better land use and cost management, compared to an indoor system. The multi-functionality of the industrial hemp can provide added economic value. Therefore, existing cultivation systems for fibre and oilseed production have to be modified as the harvesting time and harvested organ are expected to differ greatly from those of the present systems. In order to achieve this, publication I dealt with the objective, to determine the yield potential of different EU-registered hemp genotypes with regard to inflorescence and biomass yield as well as cannabinoid content, depending on genotype, growth stage and biomass fraction in an outdoor cultivation system. The cultivation of seven industrial hemp genotypes (Finola, Fédora17, Ferimon, Félina32, Futura75, USO 31 and Santhica27) was carried out in a two-year field experiment. Sampling of leaves and inflorescence, took place at four specific growth stages: vegetative leaf stage, bud stage, full-flowering stage, and seed maturity stage. Dry matter was recorded, and cannabinoids were analysed. The results indicated that the content of cannabinoids highly depended on the genotype and the growth stage. Thus, biomass and inflorescence yields must be considered for an optimized harvest result. Genotype Santhica27 indicated the highest contents of CBG/A. Further, it was found that genotypes such as Futura75, Fédora17, Félina32, Ferimon, Finola and Santhica27, which were highlighted to have a higher CBD/A or CBG/A content compared to other evaluated genotypes, reached the highest yields of threshing residues after seed maturity, and thus a higher CBD/A and CBG/A yield per area. In conclusion, harvesting after seed maturity seems to be economically beneficial. These findings make selected industrial hemp genotypes excellent candidates for multipurpose cropping. Additionally, the thesis aimed at further standardization of PCR genotypes in indoor cultivation systems. Due to the prescribed requirement of high-quality medical cannabis material, indoor cultivation is in focus as under the system all production parameters can be standardized. The production of cannabinoids under indoor conditions is expensive due to processing costs and regulatory limitations, thus there is an increasing interest in using the available space requirements efficiently. Publication II evaluated the adaptation of the plant architecture, through the targeted use of synthetic phytohormones, aiming for a small and compact plant morphology for various indoor systems. The objective was, to test the impact of exogenously applied plant growth regulators (PGRs), such as NAA, BAP and a mixture (NAA/BAP-mix) of both on the plant architecture of different PCR genotypes. Therefore, genotypes were treated with synthetic phytohormones in various concentrations in a greenhouse experiment. Furthermore, the differences in leaf and flower yields resulting from morphological changes in these genotypes and their CBD/A content was investigated. A genotype-specific impact of applied PGRs on the plant architecture was determined. NAA led to more compact plants with a consistently high floral yield for genotype KANADA, whereas CBD/A content was not affected. Genotypes 0.2x and FED showed reduced floral yields due to the PGRs applications. Publication III dealt with the evaluation of the growth performance of PCR genotypes grown in different substrate compositions substituted with peat alternatives in an indoor cultivation system. The impacts of the following substrate compositions: peat-mix growth media (PM); peat-mix substituted with 30% of green fibres (G30) consisting of coniferous wood and wood chips from pine and spruce wood growth media, and coco coir fibres (CC), on growth performance, biomass and flower yields, biomass nitrogen (N) content as well as CBD/A contents were tested. The results showed that the different substrates had significant impacts on the growth, biomass and floral yields, root development and N tissue content of the tested genotypes. A genotype-specific reaction on floral yield was investigated. While genotype KANADA had the highest floral yields when grown in PM, 0.2x showed no significant differences, with higher floral yields grown in G30 and CC. For both genotypes, no limiting effect on CBD/A content was enacted. It can be concluded, that organic peat alternatives such as green fibres, partly replacing peat in standard growing media, offers a genotype-specific option.Cannabis sativa L. eignet sich aufgrund der Möglichkeit, die ganze Pflanze zu nutzen, hervorragend für die Kreislaufwirtschaft und ist daher ein Paradebeispiel für eine multifunktionale Nutzpflanze. Die Cannabispflanze erlebt derzeit einen Boom aufgrund ihres reichhaltigen Repertoires an sekundären Pflanzeninhaltsstoffen, ihrer Fasern und ihres wertvollen Öls in zahlreichen Industriezweigen sowie ihrer positiven landwirtschaftlichen Eigenschaften. Das Hauptaugenmerk liegt dabei im medizinischen Nutzen, basierend auf den in Blüten und Blättern vorhandenen Phytocannabinoiden. Es ist wichtig, zwischen Nutzhanf Genotypen und phytocannabinoid-reichen (PCR) Genotypen zu unterscheiden. Nutzhanf erfüllt den von der EU-Gesetzgebung vorgeschriebenen THC-Grenzwert von 0,2% und kann daher im Feldmaßstab legal angebaut werden. PCR Genotypen, enthalten hohe Mengen an nicht-psychoaktiven Cannabinoiden, wie CBD und Cannabigerol (CBG), in einem Bereich von 1030%, während ihr THC-Gehalt unter 0,2% liegt. Diese Genotypen werden derzeit gezüchtet und sind noch kaum auf dem Markt erhältlich. Die Cannabinoid-Extraktion von aus Nutzhanf gewonnenen Rohstoffen, könnte einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil bieten, da die geerntete Biomasse durch eine bessere Flächennutzung und mehr Kosteneffizienz im Vergleich zu einem Indoor-Produktionssystem deutlich erhöht werden könnte. Darüber hinaus kann die Multifunktionalität der Nutzhanfpflanze einen wirtschaftlichen Mehrwert bieten. Bestehende Anbausysteme für die Faser- und Ölsaatenproduktion müssen neu entwickelt werden, da sich der Erntezeitpunkt und Ernteorgan stark von den bisherigen Systemen unterscheiden dürften. Um dies zu erreichen, befasst sich Publikation I mit folgenden Zielen: Ermittlung des Ertragspotenzials verschiedener Nutzhanf Genotypen hinsichtlich Blütenstand- und Biomasseertrag sowie Cannabinoidgehalt in Abhängigkeit von Genotyp, Wachstumsstadium und Biomassefraktion in einem Freilandanbausystem. In einem zweijährigen Feldversuch wurden sieben Nutzhanf Genotypen (Finola, Fédora17, Ferimon, Félina32, Futura75, USO31 und Santhica27) angebaut. Die Beprobung von Blättern und Blütenständen erfolgte zu vier spezifischen Wachstumsstadien: vegetatives Blattstadium, Knospenstadium, Vollblütestadium und zur Samenreife. Die Trockensubstanz wurde erfasst sowie der Cannabinoidgehalt analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass der Gehalt an Cannabinoiden stark vom Genotyp und dem Wachstumsstadium abhängt. Daher müssen für ein optimales Ernteergebnis die Biomasse und der Ertrag der Blütenstände berücksichtigt werden. Der Genotyp Santhica27 wies den höchsten Gehalt an CBG/A auf. Die Genotypen Futura75, Fédora17, Félina32, Ferimon, Finola und Santhica27, welche die höchsten CBD/A- bzw. CBG/A Gehalte aufwiesen hatten zur Samenreife die höchsten Biomasseerträge an Druschrückständen und somit einen höheren CBD/A- und CBG/A-Ertrag pro Fläche. Folglich ist eine Ernte nach der Samenreife wirtschaftlich vorteilhaft. Diese Ergebnisse machen ausgewählte Nutzhanf Genotypen zu idealen Kandidaten für den Mehrzweckanbau in Bezug auf Biomasseproduktion und CBD/A- bzw. CBG/A-Gewinnung, um das volle Potenzial der Hanfpflanze auszuschöpfen. Zusätzlich befasste sich die Arbeit mit einer weiteren Standardisierung von PCR Genotypen in Indoor-Anbausystemen. Aufgrund der vorgeschriebenen hohen Qualitätsanforderungen für medizinisches Cannabismaterial rückt der Indoor-Anbau immer mehr in den Fokus, da alle Produktionsparameter standardisiert werden können. Die Produktion von Cannabinoiden unter Indoor-Bedingungen ist aufgrund von Verarbeitungskosten und regulatorischen Einschränkungen teur. Daher wird eine kosteneffektive Produktionskette angestrebt. In Publikation II wurde die Anpassung der Pflanzenarchitektur durch den gezielten Einsatz von synthetischen Phytohormonen evaluiert. Mit dem Ziel eine kleine und kompakte Pflanzenmorphologie mit hohen Blütenerträgen zu generieren. Dies umfasste folgende Zielsetzungen: den Einfluss exogen applizierter Pflanzenwachstumsregulatoren (PGRs), wie NAA, BAP und einer Mischung (NAA/BAP-Mix) aus beiden auf die Pflanzenarchitektur verschiedener PCR Genotypen zu prüfen. Darüber hinaus den Biomasseertrag sowie den CBD/A Gehalt zu bestimmen. In einem Gewächshausexperiment wurden die Genotypen mit synthetischen Phytohormonen in verschiedenen Konzentrationen behandelt. Als Ergebnis wurde ein genotyp-spezifischer Einfluss der applizierten PGRs auf die Pflanzenarchitektur festgestellt. NAA führte beim Genotyp KANADA zu einer kompakteren Pflanzenmorphologie mit einem konstant hohen Blütenertrag, während der CBD/A-Gehalt nicht beeinflusst wurde. Die Genotypen 0.2x und FED zeigten durch die Anwendungen reduzierte Blütenerträge. Publikation III befasste sich mit der Bewertung von Ertragsparametern und CBD Gehalt von PCR Genotypen, welche in verschiedenen Substratzusammensetzungen in einem Indoor-Topfanbausystem kultiviert wurden. In einem Gewächshausexperiment wurde der Einfluss folgender Substratzusammensetzungen: Torf-Mix (PM); Torf-Mix, substituiert mit 30% Grünfasern (G30), und Kokosfaser (CC), auf Wachstumsleistung, N-Gehalt, Wurzelwachstum sowie CBD/A-Gehalt untersucht. Die verschiedenen Substrate zeigten signifikante Auswirkungen auf die Wachstumsleistung und die Wurzelentwicklung der getesteten Genotypen. Es wurde eine genotyp-spezifische Reaktion auf den Blütenertrag untersucht wobei kein limitierender Effekt auf den CBD/A-Gehalt festgestellt wurde. Es lässt sich schlussfolgern, dass organische Torfalternativen wie Grünfasern, die Torf in Standardtopfsubstraten teilweise ersetzen, eine genotyp-spezifische Option bieten