title: Lighting the Way: Disentangling the impact of light on yield, cannabinoids and terpenes in Cannabis sativa L.
Creators: name: Reichel, Philipp-Severin Alfons
Publisher: name: Universität Hohenheim
Year: 2024
Subjects: subject: 630

description: This thesis focuses on the evolving cultivation of C. sativa, which is rapidly changing due to increasing legalisation efforts. However, the main challenge is to bridge the gap between previously illegal knowledge and validated, accessible scientific evidence. There is still a notable lack of comprehensive government about the medicinal C. sativa sector, particularly with regard relation to the production of flowers. Knowledge of cultivation systems is proprietary. Scientific validation and stricter cultivation guidelines are urgently needed. Therefore, this thesis is dedicated to investigating the growth patterns of multiple C. sativa strains under different light spectra. The main objectives are to validate the efficacy of LED lighting systems, to determine the relationship between photosynthetic rates and flower yield, and to investigate the complex interactions in secondary metabolism. A major focus will be the investigation of changes in the heterogeneity of secondary metabolites and the development of strategies to mitigate this heterogeneity, emphasising the analysis of cannabinoids and terpenes. Ultimately, a comprehensive cultivation system will be established that demonstrates how light intensity, spectral composition, variety diversity, and plant density influence different flower positions within a C. sativa plant. This system will serve as a basis for the cultivation of medicinal C. sativa, bridging the gap between illegal practices and scientifically validated methods. The first step was to investigate parameters for optimising growth characteristics and secondary metabolite production in relation to specific strain characteristics by studying different C. sativa strains under different light spectra. Publication I addressed the following objectives: (1) to explore how different C. sativa strains adapt to various light spectra, studying growth patterns and overall morphology; (2) to investigate how distinct light spectra affect yield composition, revealing strain-specific responses to light exposure; and (3) to examine the influence of red to far-red light ratio on plant growth traits and biomass production. The publication Ⅰ involved three randomised light spectra (CHD, AP67 and SOL) and three different C. sativa strains (E19, A4 and KAN), each characterised by different growth habits. The primary objective was to estimate how these spectral variations affected plant morphology and yield. While most characteristics of the strains remained resilient to the effects of different light spectra, notable differences were observed in height and biomass distribution of main and side shoots. Plants grown under LED lamps showed a more compact growth pattern. Surprisingly, there were no discernible differences between light sources, spectra and C. sativa strains in total flower yield at 56 days after planting (DAP 56). However, changes in leaf fractions were observed as growth progressed, with sugar leaves emerging as a critical factor, particularly in the later stages of development. In the same experiment, the dried flower was divided into several flower positions to assess heterogeneity across the plant. These dried flowers from each strain were then analysed for cannabinoid and terpene composition. Detailed insights into these cannabinoid and terpene contents are provided in publication Ⅱ. The specific objectives of this thesis considered in this publication were (4) to study the impact of light spectra on the secondary metabolite development on different C. sativa strains and (5) to highlight the potential diversity of terpene and cannabinoid concentrations by identifying and comparing terpene profiles at different flower positions within each strain. Publication Ⅱ revealed a complex interaction between strain characteristics and light conditions, demonstrating that each strain retains its characteristic terpene profile regardless of light spectra. In particular, the research highlights the heterogeneity of secondary metabolites across different flower positions within the C. sativa plant, emphasising the critical role of light intensity and penetration in secondary metabolite production. Publication Ⅲ dealt with objective (6) to investigate how planting density affects individual yield, addressing competition dynamics among C. sativa to provide insights into optimal planting densities to maximise yield while considering space limitations and (7) to determine whether increased light intensity correlates with higher yields and concentrations of secondary metabolites. The main objective of publication Ⅲ was to understand the complex dynamics by which light-induced effects on individual plants can affect a high-density plant stock of 12 plants per m². The light intensity was increased from 680 PAR to 1200 PAR, a realistic level for C. sativa cultivation, and two experiments to achieve these objectives were conducted. The first experiment consisted of seven biomass sections to assess the influence of light on biomass distribution at a plant density of 2.66 plants per m². The results showed the potential of a low R: FR ratio to increase dry flower yield in the last ten days of flowering. The second experiment was designed to determine the impact of a light gradient on the distribution of secondary metabolites. Plant density remained constant throughout the experiment at 12 plants per m². The aim was to investigate if plant density correlated significantly with terpene and cannabinoid concentrations and if it induced variations in flower heterogeneity. The culmination of the findings from publications Ⅰ-Ⅲ and the ensuing discussion led to the development of an overall cultivation system consisting of three critical stages in the C. sativa growth cycle: 1) the vegetative phase under long-day conditions, 2) the initiation of flowers triggered by short-day photoperiods, and the subsequent biomass accumulation, culminating in 3) the ripening of flowers. The cultivation process begins with selecting a high-performance strain and producing healthy cuttings by propagation or hybrid seed. Rooted young plants are then placed in a suitable medium for the vegetative growth phase (stage one), characterised by long-day conditions (18:6). During this phase, the emphasis is on rapid development and biomass accumulation. In contrast, the plant structure is shaped by pruning. We recommend light defoliation of at least 20% and removal of lower lateral shoots. A gradual increase in light intensity from 400 to 950 PAR with an emphasis on 750 PAR is beneficial. Effective light spectra include SOL, AP67 and CHD, with 19%, 12% and 16% blue, respectively. Ideal conditions include CO2 levels of 900 ppm and temperatures around 25°C. In stage two (flowering), higher light levels and adapted fertilisation become important. Increased light intensity, especially at levels such as 1500 - 2000 PAR with 900 ppm CO2, will increase yield and potentially secondary metabolite production. Light spectra with a high share of green light around 510 nm and with an elevated green content can be beneficial under high intensities and densities. Controlled dimming strategies help maintain uniform light distribution, which is essential for homogenous terpene concentrations. Fertilisation should be dynamic with nitrogen concentrations below 240 mg N l-1 to avoid oxidative stress. In stage three (ripening), increasing FR (far red) can increase flower yield, making dynamic spectrum management valuable. Fertigation should be adjusted as biomass growth plateaus, gradually reducing nutrient levels in the final four weeks. At the same time, increasing the CO2 concentration to 1150 ppm at these lower N levels can benefit the final yield and secondary metabolite concentration. For this cultivation system to be successful, the fundamentals of precise environmental control, diverse strain selection and stable genetics are essential for medicinal C. sativa cultivation. Critical factors for cultivation include light intensity, distribution and penetration, and appropriate fertilisation. In addition, light uniformity and illumination within the canopy are essential for terpene standardisation. Pruning techniques and fertilisation should be adapted to the plant's growth stage. In summary, this thesis explores the dynamic field of C. sativa cultivation driven by legalisation. Recognising the key role of light in shaping successful cultivation techniques, this thesis contributes to a more comprehensive understanding of medicinal C. sativa cultivation.
description: Diese Arbeit untersucht die sich entwickelnde Landschaft des C. sativa anbaus, die sich aufgrund der zunehmenden Legalisierungsbemühungen rasch verändert. Die größte Herausforderung besteht jedoch darin, die Lücke zwischen bisher illegalem Wissen und validierten, zugänglichen wissenschaftlichen Erkenntnissen zu schließen. Ein bemerkenswerter Mangel an umfassender staatlicher Regulierung besteht nach wie vor im Zusammenhang mit dem medizinischen C. sativa Sektor, insbesondere in Bezug auf die Blütenproduktion. Das Wissen über die Anbausysteme ist proprietär. Es besteht ein dringender Bedarf an wissenschaftlicher Validierung und strengeren Anbaurichtlinien. Daher widmet sich diese Arbeit der eingehenden Untersuchung der Wachstumsmuster verschiedener C. sativa Sorten unter verschiedenen Lichtspektren. Die Hauptziele sind die Validierung der Wirksamkeit von LED-Beleuchtungssystemen, die Bestimmung des Zusammenhangs zwischen Photosyntheseraten und Blütenertrag sowie die Untersuchung der komplexen Interaktionen im Sekundärstoffwechsel. Ein wichtiger Schwerpunkt wird auf der Untersuchung von Variationen in der Heterogenität der sekundären Metaboliten und auf der Entwicklung von Strategien zur Minderung dieser Heterogenität liegen, wobei der Schwerpunkt auf der Analyse von Cannabinoiden und Terpenen liegen wird. Letztendlich soll ein umfassendes Anbausystem geschaffen werden, das zeigt, wie Lichtintensität, spektrale Zusammensetzung, Sortenvielfalt und Bestandsdichte verschiedene Blütenpositionen innerhalb einer C. sativa Pflanze beeinflussen. Dieses System soll als Grundlage für den Anbau von medizinischem C. sativa dienen und die Lücke zwischen illegalen Praktiken und wissenschaftlich validierten Methoden schließen. Der erste Schritt bestand in der Untersuchung von Parametern zur Optimierung der Wachstumseigenschaften und der Produktion von Sekundärmetaboliten in Abhängigkeit von den sortenspezifischen Eigenschaften, indem verschiedene C. sativasorten unter verschiedenen Lichtspektren untersucht wurden. Die Ziele von Publikation Ⅰ waren (1) Untersuchung der Anpassung verschiedener C. sativa Sorten an unterschiedliche Lichtspektren durch Untersuchung der Wuchseigenschaften und der Gesamtmorphologie, (2) Untersuchung der Auswirkungen unterschiedlicher Lichtspektren auf die Zusammensetzung der Erträge durch Identifizierung sortenspezifischer Reaktionen auf die Lichtexposition und (3) Untersuchung des Einflusses des Verhältnisses von rotem zu fernrotem Licht auf die Wuchseigenschaften und die Biomasseproduktion der Pflanzen. Das Experiment bestand aus drei randomisierten Lichtspektren und drei verschiedene C. sativa sorten (E19, A4 und KAN), die sich durch unterschiedliche Wachstumsmerkmale auszeichnen. Das Hauptziel bestand darin, die Auswirkungen dieser spektralen Variationen auf die Pflanzenmorphologie und den Ertrag abzuschätzen. Während die meisten Merkmale der Sorten unter den verschiedenen Lichtspektren unverändert blieben, zeigten sich deutliche Unterschiede in der Wuchshöhe und der Biomasseverteilung der Haupt- und Seitentriebe. Pflanzen, die unter LED-Lampen kultiviert wurden, wuchsen kompakter. Überraschenderweise gab es 56 Tage nach der Pflanzung (DAP 56) keine erkennbaren Unterschiede zwischen den verschiedenen Beleuchtungsquellen, Spektren und C. sativa Sorten in Bezug auf den Gesamtblütenertrag. Mit fortschreitendem Wachstum wurden jedoch Veränderungen in den Blattfraktionen beobachtet, wobei sich die Blütenblätter als wichtiger Faktor erwiesen, insbesondere in den späteren Wachstumsstadien. Im selben Experiment wurden die getrockneten Blüten in mehrere Blütenpositionen unterteilt, um die Heterogenität innerhalb einer Pflanze zu ermitteln. Diese getrockneten Blüten der einzelnen Sorten wurden anschließend auf ihre Zusammensetzung in Bezug auf Cannabinoide und Terpene analysiert. Ein detaillierter Einblick in diese Cannabinoid- und Terpengehalte wird in Publikation Ⅱ gegeben. Die spezifischen Forschungsziele waren (4) die Untersuchung des Einflusses von Lichtspektren auf die Entwicklung von Sekundärmetaboliten in verschiedenen C. sativa Sorten und (5) die Darstellung der potenziellen Variabilität von Terpen- und Cannabinoidkonzentrationen durch die Identifizierung und den Vergleich von Terpenprofilen an verschiedenen Blütenpositionen innerhalb jeder Sorte. Publikation II zeigt eine komplexe Wechselwirkung zwischen den Sorteigenschaften und den Lichtverhältnissen und belegt, dass jede Sorte ihr charakteristisches Terpenprofil unabhängig von den Lichtspektren beibehält. Insbesondere wird die Heterogenität der Sekundärmetaboliten in den verschiedenen Blütenpositionen der C. sativa pflanze hervorgehoben und die entscheidende Rolle der Lichtintensität und -penetration bei der Produktion von Sekundärmetaboliten betont. Publikation III hatte zum Ziel (6), den Einfluss der Pflanzdichte auf den Einzelertrag zu untersuchen und die Konkurrenzdynamik zwischen C. sativa zu erforschen. Es sollten Erkenntnisse über die optimale Pflanzdichte zur Maximierung des Ertrages unter Berücksichtigung von Flächenrestriktionen gewonnen werden und (7) es sollte festgestellt werden, ob eine höhere Lichtintensität mit höheren Erträgen und Konzentrationen von Sekundärmetaboliten korreliert. Das Hauptziel bestand also darin, die komplexe Dynamik zu verstehen, durch die sich lichtinduzierte Effekte auf Einzelpflanzen auf einen Pflanzenbestand mit höherer Pflanzendichte (12 Pflanzen pro m²) als Ganzes auswirken können. Um diese Ziele zu erreichen, wurde die Lichtintensität von 680 PAR auf 1200 PAR, ein realistisches Niveau für den kommerziellen C. sativa Anbau, erhöht und zwei Experimente durchgeführt. Das erste Experiment bestand aus sieben Biomasseabschnitten, um den Einfluss des Lichts auf die Biomasseverteilung bei einer Pflanzendichte von 2,66 Pflanzen pro m² zu bewerten. Die Ergebnisse zeigten, dass ein niedriges R:FR-Verhältnis den Trockenblütenertrag in den letzten zehn Tagen der Blüte erhöhen kann. Ziel des zweiten Versuchs war die Bestimmung des Effektes eines Lichtgradienten auf die Verteilung von Sekundärmetaboliten. Die Pflanzendichte blieb während des gesamten Versuchs konstant bei 12 Pflanzen pro m². Ziel war es, zu untersuchen, ob die Pflanzendichte in einem signifikanten Zusammenhang mit den Konzentrationen von Terpenen und Cannabinoiden steht und ob sie Variationen in der Heterogenität der Blüten verursacht. Die Ergebnisse der Publikationen Ⅰ-Ⅲ und die anschließende Diskussion führten zur Entwicklung eines umfassenden Anbausystems, das aus drei kritischen Phasen im Wachstumszyklus von C. sativa besteht: 1) die vegetative Phase unter Langtagsbedingungen, 2) die durch Kurztagsphotoperioden ausgelöste Blüte und die anschließende Biomasseakkumulation, die in 3) der Blütenreife gipfelt. Der Anbauprozess beginnt mit der Auswahl einer leistungsfähigen Sorte und der Produktion von gesunden Stecklingen durch Vermehrung oder durch die Verwendung von Hybridsamen. Für die vegetative Wachstumsphase (Phase eins), die durch Langtagsbedingungen (18:6) gekennzeichnet ist, werden die bewurzelten Jungpflanzen in ein geeignetes Medium gesetzt. Eine schnelle Entwicklung und der Biomassezuwachs stehen in dieser Phase im Vordergrund. Gleichzeitig wird die Pflanzenstruktur durch Erziehung modelliert. Es wird empfohlen, eine geringfügige Entfernung der unteren Blätter von mindestens 20 % vorzunehmen und dabei auch die unteren Seitentriebe zu entfernen. Eine allmähliche Erhöhung der Lichtintensität von 400 PAR auf 950 PAR mit einem Schwerpunkt bei 750 PAR ist von Vorteil. Als wirksame Lichtspektren werden SOL, AP67 und CHD mit 19 %, 12 % bzw. 16 % Blauanteil empfohlen. Optimal ist eine CO2-Konzentration von 900 ppm und Temperaturen um 25 °C. In Phase zwei (Blüte) sind höhere Lichtmengen und eine angepasste Düngung entscheidend. Durch eine höhere Lichtintensität, insbesondere bei Werten von 1500 - 2000 PAR mit 900 ppm CO2, wird der Ertrag und möglicherweise die Produktion von Sekundärmetaboliten erhöht. Lichtspektren mit hohem Grünanteil um 510 nm, und erhöhtem Grünanteil können bei hohen Lichtintensitäten und Pflanzendichten vorteilhaft sein. Kontrollierte Dimmstrategien tragen dazu bei, eine gleichmäßige Lichtverteilung aufrechtzuerhalten, was für homogene Terpenkonzentrationen von entscheidender Bedeutung ist. Die Düngung sollte dynamisch erfolgen. Die Stickstoffkonzentration sollte unter 240 mg N l-1 liegen, um oxidativen Stress zu vermeiden. In Phase drei ("Abreife") kann eine Erhöhung des FR ("Far Red") den Blütenertrag steigern, was ein dynamisches Spektrumsmanagement sinnvoll macht. Die Düngung sollte angepasst werden, wenn das Biomassewachstum ein Plateau erreicht, wobei die Nährstoffkonzentration in den letzten vier Wochen schrittweise verringert werden sollte. Gleichzeitig kann eine Erhöhung der CO2-Konzentration auf 1150 ppm bei diesen niedrigeren N-Konzentrationen zu einer Verbesserung des Endertrags und der Konzentration der Sekundärmetaboliten führen. Damit dieses Anbausystem erfolgreich ist, sind die Grundlagen einer präzisen Umweltkontrolle, eine vielfältige Sortenauswahl und eine stabile Genetik für den Anbau von medizinischem C. sativa von entscheidender Bedeutung. Entscheidende Faktoren für den Anbau sind Lichtintensität, -verteilung und -penetration sowie eine angepasste Düngung. Darüber hinaus sind eine gleichmäßige Ausleuchtung und eine gute Lichtverteilung innerhalb des Bestandes für die Standardisierung der Terpene von großer Bedeutung. Schnitttechniken und Düngung sollten dem Wachstumsstadium der Pflanze angepasst werden. Zusammenfassend wird in dieser Arbeit der sich dynamisch entwickelnde Bereich des C. sativa Anbaus unter dem Gesichtspunkt einer möglichen Legalisierung untersucht. Die Arbeit trägt zu einem besseren Verständnis des medizinischen C. sativa Anbaus bei, indem sie die entscheidende Rolle des Lichts bei der Entwicklung erfolgreicher Anbautechniken anerkennt.