Věřím, že klíč k produkování extrémně suchomilných plodin, což může jít naproti zajištění potravinové bezpečnosti ve světě, leží v rostlinách vzkříšení, na obrázku v extrémně vysušenému stavu. Můžete si myslet, že tyto rostliny vypadají mrtvě, ale nejsou. Dejte jim vodu, a vzkřísí se, zezelenají, začnou růst, do 12 až 48 hodin.
I believe that the secret to producing extremely drought-tolerant crops, which should go some way to providing food security in the world, lies in resurrection plants, pictured here, in an extremely droughted state. You might think that these plants look dead, but they're not. Give them water, and they will resurrect, green up, start growing, in 12 to 48 hours.
Proč bych ale tvrdila, že produkce suchomilných plodin napomáhá zajištění potravinové bezpečnosti? Tedy, aktuální světová populace je zhruba 7 miliard. A je odhadováno, že k roku 2050 nás bude mezi 9 a 10 miliardami lidí, s většinou tohoto růstu odehrávající se v Africe.
Now, why would I suggest that producing drought-tolerant crops will go towards providing food security? Well, the current world population is around 7 billion. And it's estimated that by 2050, we'll be between 9 and 10 billion people, with the bulk of this growth happening in Africa.
Potravinové a zemědělské organizace světa navrhly, že potřebujeme 70procentní růst v současných zemědělských praktikách, abychom vyhověli poptávce. Díky tomu, že rostliny jsou vespod potravního řetězce, většina toho bude muset přijít od rostlin.
The food and agricultural organizations of the world have suggested that we need a 70 percent increase in current agricultural practice to meet that demand. Given that plants are at the base of the food chain, most of that's going to have to come from plants.
Ten podíl 70 procent nebere v potaz potenciální dopady klimatických změn.
That percentage of 70 percent does not take into consideration the potential effects of climate change.
Toto je vytaženo ze studie od Dai vydané roku 2011, kde bere v potaz všechny potenciální dopady na změny klimatu a vyjadřuje je --- mimo další věci --- zvýšeným suchem kvůli nedostatku deště nebo nepravidelnému dešti. Oblasti zde ukázané červeně jsou oblasti, které donedávna byly velmi úspěšně využívané pro zemědělství, ale už nemůžou kvůli nedostatku srážek. To je situace, která je předpovězena, že se stane v roce 2050 Většina Afriky, vlastně, většina světa se dostane do problému. Budeme muset popřemýšlet o nějakém velmi chytrém způsobu produkování jídla. A upřednostnit mezi nimi nějaké suchomilné plodiny.
This is taken from a study by Dai published in 2011, where he took into consideration all the potential effects of climate change and expressed them -- amongst other things -- increased aridity due to lack of rain or infrequent rain. The areas in red shown here, are areas that until recently have been very successfully used for agriculture, but cannot anymore because of lack of rainfall. This is the situation that's predicted to happen in 2050. Much of Africa, in fact, much of the world, is going to be in trouble. We're going to have to think of some very smart ways of producing food. And preferably among them, some drought-tolerant crops.
Další věc k zapamatování o Africe je, že většina jejího zemědělství je živena deštěm.
The other thing to remember about Africa is that most of their agriculture is rainfed.
Jenže vytváření suchomilných plodin není zrovna nejlehčí věc na světě. A tím důvodem je voda. Voda je zásadní pro život na této planetě. Vše živé, aktivně metabolizující organismy, od mikrobů po vás i mě, se tvoří převážně z vody. Veškeré reakce života se odehrávají ve vodě. A ztráta malého množství vody končí smrtí. Vy a já jsme z 65 procent voda -- ztratíme jedno procento a zemřeme. Ale můžeme pozměnit chování, abychom se tomu vyhli. Rostliny nemohou. Jsou přilepené k zemi. A proto mají v první řadě o trochu více vody než my, okolo 95 procent vody, a mohou ztratit o něco více než my, od 10 do 70 procent v závislosti na druhu, ale jen po krátkou dobu.
Now, making drought-tolerant crops is not the easiest thing in the world. And the reason for this is water. Water is essential to life on this planet. All living, actively metabolizing organisms, from microbes to you and I, are comprised predominately of water. All life reactions happen in water. And loss of a small amount of water results in death. You and I are 65 percent water -- we lose one percent of that, we die. But we can make behavioral changes to avoid that. Plants can't. They're stuck in the ground. And so in the first instance they have a little bit more water than us, about 95 percent water, and they can lose a little bit more than us, like 10 to about 70 percent, depending on the species, but for short periods only.
Většina z nich se bude buď snažit zabránit nebo se vyhnout ztrátě vody. Takto extrémní příklady vytrvalců mohou být nalezeny u sukulentů. Bývají malé, velmi atraktivní, ale drží se své vody za tak velkou cenu, že rostou extrémně pomalu. Příklady vyhýbání se ztráty vody nalezneme ve stromech a křovinách. Zapouští kořeny velmi hluboko, dolují podzemní vodní zásoby a prostě je v sobě neustále proplachují, aby si udržely hydrataci.
Most of them will either try to resist or avoid water loss. So extreme examples of resistors can be found in succulents. They tend to be small, very attractive, but they hold onto their water at such great cost that they grow extremely slowly. Examples of avoidance of water loss are found in trees and shrubs. They send down very deep roots, mine subterranean water supplies and just keep flushing it through them at all times, keeping themselves hydrated.
Ten napravo se jmenuje baobab. Také se nazývá strom vzhůru nohama, jednoduše protože proporce kořenů s výhonkem je tak velká, že to vypadá jakoby ten strom byl zasazen vzhůru nohama. Ty kořeny jsou samozřejmě potřebné na hydrataci této rostliny.
The one on the right is called a baobab. It's also called the upside-down tree, simply because the proportion of roots to shoots is so great that it looks like the tree has been planted upside down. And of course the roots are required for hydration of that plant.
a možná tu nejběžnější strategii vyhýbání nalezneme u jednoletek. Jednoletky tvoří velkou část našich rostliných potravinových zásob. Na západním pobřeží mé země, většinu roku neuvidíte moc rostoucí vegetace. Ale s jarními dešti přijde toto: vzkvétání pouště.
And probably the most common strategy of avoidance is found in annuals. Annuals make up the bulk of our plant food supplies. Up the west coast of my country, for much of the year you don't see much vegetation growth. But come the spring rains, you get this: flowering of the desert.
Strategie u jednoletek je nechat je růst jen v obdobích dešťů. Na konci tohoto období vyprodukují semínko, které je suché, má 8 až 10 % vody, ale velmi živé. A cokoliv co je takto suché a stále živé, nazýváme vysušení odolné.
The strategy in annuals, is to grow only in the rainy season. At the end of that season they produce a seed, which is dry, eight to 10 percent water, but very much alive. And anything that is that dry and still alive, we call desiccation-tolerant.
Ve vysušeném stavu, co semínka dokáží je, že leží v extrémních prostředích po delší dobu. S přicházejícím obdobím deštů, vyklíčí a rostou a celý cyklus začíná znovu.
In the desiccated state, what seeds can do is lie in extremes of environment for prolonged periods of time. The next time the rainy season comes, they germinate and grow, and the whole cycle just starts again.
Rozšířeně se věří, že evoluce vysušení tolerantních semen umožnilo kolonizování a rozšíření krytosemenných rostlin neboli angiosperms na souš.
It's widely believed that the evolution of desiccation-tolerant seeds allowed the colonization and the radiation of flowering plants, or angiosperms, onto land.
Ale zpět k jednoletkám jako našemu hlavnímu zdroji potravin. Pšenice, rýže a kukuřice tvoří 95 procent našich rostlinných zásob jídla. A to je skvělá strategie, protože v krátkém časovém rozmezí můžete vyprodukovat mnoho semen. Semena jsou energeticky bohatá, je tam dost kalorií, můžete je uchovat v době nadúrody pro doby hladomoru, ale je tu nevýhoda. Vegetativní pletivo, kořeny a listy jednoletek, nemají moc vrozených rezistentních, vyhýbavých ani tolerantních charakteristik. Prostě je nepotřebují. Rostou v období dešťů a mají semínko, které jim pomůže přežít zbytek roku.
But back to annuals as our major form of food supplies. Wheat, rice and maize form 95 percent of our plant food supplies. And it's been a great strategy because in a short space of time you can produce a lot of seed. Seeds are energy-rich so there's a lot of food calories, you can store it in times of plenty for times of famine, but there's a downside. The vegetative tissues, the roots and leaves of annuals, do not have much by way of inherent resistance, avoidance or tolerance characteristics. They just don't need them. They grow in the rainy season and they've got a seed to help them survive the rest of the year.
A tak navzdory intenzivní snaze v zemědělství vytvořit plodiny s vylepšenými vlastnostmi jako je odolnost, nenáchylnost, tolerance – především odolnost a protože máme dobré modely k porozumění, jak fungují -- stále získáváme obrazy jako tento. Kukuřice v Africe, dva týdny bez deště a je mrtvá.
And so despite concerted efforts in agriculture to make crops with improved properties of resistance, avoidance and tolerance -- particularly resistance and avoidance because we've had good models to understand how those work -- we still get images like this. Maize crop in Africa, two weeks without rain and it's dead.
Existuje řešení: rostliny vzkříšení. Tyto rostliny mohou ztratit 95 procent své buněčné vody, zůstanou suché, jakoby mrtvé po měsíce až roky, ale dejte jim vodu, zezelenají a začnou znovu růst. Jako semínka, která jsou vysušení odolná. Jako semínka dokáží vystát podmínky extrémního prostředí. A to je velmi vzácný fenomén. Existuje pouze 135 krytosemenných rostlin, které to zvládnou.
There is a solution: resurrection plants. These plants can lose 95 percent of their cellular water, remain in a dry, dead-like state for months to years, and give them water, they green up and start growing again. Like seeds, these are desiccation-tolerant. Like seeds, these can withstand extremes of environmental conditions. And this is a really rare phenomenon. There are only 135 flowering plant species that can do this.
Ukáži vám video o procesu vzkříšení těchto tří druhů v tomto pořadí. Vespod je časová osa, abyste mohli pozorovat, jak rychle se to děje.
I'm going to show you a video of the resurrection process of these three species in that order. And at the bottom, there's a time axis so you can see how quickly it happens.
(Potlesk)
(Applause)
Ohromující, že?
Pretty amazing, huh?
Posledních 21 let jsem strávila snahou pochopit, jak to dělají. Jak tyto rostliny vyschnou bez umření? Pracuji na řadě rozdílných rostlin vzkříšení, zde ukázaných hydratovaných i v suchých stavech, z několika důvodů.
So I've spent the last 21 years trying to understand how they do this. How do these plants dry without dying? And I work on a variety of different resurrection plants, shown here in the hydrated and dry states, for a number of reasons.
Jeden z nich je, že každá z nich slouží jako model pro plodinu, kterou bych chtěla vytvořit suchomilnou.
One of them is that each of these plants serves as a model for a crop that I'd like to make drought-tolerant.
Například v levém horním rohu je tráva, jmenuje se Eragrostis nindensis, její blízcí příbuzní se jmenují Eragrostis tef --- mnozí z vás ji mohou znát jako "teff" --- je to hlavní jídlo v Etiopii, je bezlepkové a je to něco, co bychom rádi vytvořili suchomilné.
So on the extreme top left, for example, is a grass, it's called Eragrostis nindensis, it's got a close relative called Eragrostis tef -- a lot of you might know it as "teff" -- it's a staple food in Ethiopia, it's gluten-free, and it's something we would like to make drought-tolerant.
Dalším důvodem pozorování vícero rostlin je, že, alespoň zpočátku, jsem chtěla zjistit: dělají tu samou věc? Používají všechny stejné mechanismy, aby byly schopny ztratit všechnu vodu a nezemřít?
The other reason for looking at a number of plants, is that, at least initially, I wanted to find out: do they do the same thing? Do they all use the same mechanisms to be able to lose all that water and not die?
Tak jsem provedla takzvaný systematický biologický přístup, abych získala obecné pochopení o vysoušecí toleranci, ve kterém pozorujeme vše od molekul po celou rostlinu, na ekofyzické úrovni.
So I undertook what we call a systems biology approach in order to get a comprehensive understanding of desiccation tolerance, in which we look at everything from the molecular to the whole plant, ecophysiological level.
Díváme se třeba na věci způsobem, jako změny v rostlinné anatomii při vysušení a jejich ultrastruktuře. Díváme se na transkriptomy, což je pouze termín pro technologii, ve které pozorujeme geny, které jsou aktivní nebo ne v reakci na vysušení. Většina genů kóduje proteiny, tak se díváme na proteomy. Jaké proteiny jsou vytvořené v reakci na vysušení? Některé proteiny programují enzymy, které tvoří metabolity, tak se díváme na metabolomy.
For example we look at things like changes in the plant anatomy as they dried out and their ultrastructure. We look at the transcriptome, which is just a term for a technology in which we look at the genes that are switched on or off, in response to drying. Most genes will code for proteins, so we look at the proteome. What are the proteins made in response to drying? Some proteins would code for enzymes which make metabolites, so we look at the metabolome.
Toto je důležíté, protože rostliny jsou přichyceny k zemi. Používají, co já nazývám, vysoce vyladěný chemický arzenál, aby se ochránily před všemi problémy jejich prostředí. Je důležité, abychom pozorovali chemické změny spojené s vysycháním.
Now, this is important because plants are stuck in the ground. They use what I call a highly tuned chemical arsenal to protect themselves from all the stresses of their environment. So it's important that we look at the chemical changes involved in drying.
V poslední studii, kterou děláme na molekulární úrovni, pozorujeme lipidomy --- lipidy se mění v důsledku umírání. A to je také důležité, protože všechny biologické membrány jsou tvořeny lipidy. Udržují se jako mebrány, jelikož jsou ve vodě. Odeberte vodu, tyto mebrány se zbortí. Lipidy také fungují jako signály k zapnutí genů.
And at the last study that we do at the molecular level, we look at the lipidome -- the lipid changes in response to drying. And that's also important because all biological membranes are made of lipids. They're held as membranes because they're in water. Take away the water, those membranes fall apart. Lipids also act as signals to turn on genes.
Pak používáme fyzické a biochemické studie k vyzkoušení a porozumění funkce domnělých ochránců, které jsme skutečně objevili v našich studiích. A pak použít tohle všechno k vyzkoušení a porozumění, jak se rostliny vyrovnávají s jejich přirozeným prostředím.
Then we use physiological and biochemical studies to try and understand the function of the putative protectants that we've actually discovered in our other studies. And then use all of that to try and understand how the plant copes with its natural environment.
Mou filozofií vždy bylo, že potřebuji obecné porozumění o mechanismech vysoušecí tolerance, abych vytvořila nějaký smysluplný návrh na biotické použití.
I've always had the philosophy that I needed a comprehensive understanding of the mechanisms of desiccation tolerance in order to make a meaningful suggestion for a biotic application.
Určitě si někteří z vás myslí, "biotickou aplikací, myslí tím, že vytvoří geneticky modifikované plodiny?" A odpovědí na tu otázku je: záleží na vaší definici genetické modifikace.
I'm sure some of you are thinking, "By biotic application, does she mean she's going to make genetically modified crops?" And the answer to that question is: depends on your definition of genetic modification.
Všechny plodiny, co dnes jíme, pšenice, rýže a kukuřice, jsou vysoce geneticky modifikované našimi předky, ale nepovažujeme je za GM, protože byly vyprodukované tradičním šlechtěním. Pokud si myslíte, že budu vkládat do plodin geny rostlin vzkříšení, pak je odpovědí ano.
All of the crops that we eat today, wheat, rice and maize, are highly genetically modified from their ancestors, but we don't consider them GM because they're being produced by conventional breeding. If you mean, am I going to put resurrection plant genes into crops, your answer is yes.
V průběhu času jsme tento postup vyzkoušeli. Přesněji někteří moji spolupracovníci v UCT, Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen, udělali v tomto přístupu průlom a brzy vám ukáži nějaká data.
In the essence of time, we have tried that approach. More appropriately, some of my collaborators at UCT, Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen, have spearheaded that approach and I'm going to show you some data soon.
Ale chystáme se začít s extrémně ambiciózním přístupem, ve kterém se zaměřujeme na zapnutí celé sady genů, které již jsou přítomny ve všech plodinách. Akorát že se nikdy nezapnou v podmínkách extrémního sucha. Nechám to na vašem uvážení, jestli by se to mělo nazývat GM nebo ne.
But we're about to embark upon an extremely ambitious approach, in which we aim to turn on whole suites of genes that are already present in every crop. They're just never turned on under extreme drought conditions. I leave it up to you to decide whether those should be called GM or not.
Teď vám ukáži nějaká data z toho prvního přístupu. A aby se mi to povedlo, musím vám vysvětlit pár věcí o tom, jak geny fungují.
I'm going to now just give you some of the data from that first approach. And in order to do that I have to explain a little bit about how genes work.
Asi všichni víte, že geny jsou tvořeny dvojitou šroubovicí DNA. Je to spleteno velmi pevně do chromozomů, které jsou přítomny v každé buňce našeho těla nebo v těle rostliny. Pokud rozvážete DNA, získáte geny. A každý gen má spouštěče, který je pouze spínač, oblast genetického programování, a pak vypínač, který indikuje, že to je konec genu a spustí se další gen.
So you probably all know that genes are made of double-stranded DNA. It's wound very tightly into chromosomes that are present in every cell of your body or in a plant's body. If you unwind that DNA, you get genes. And each gene has a promoter, which is just an on-off switch, the gene coding region, and then a terminator, which indicates that this is the end of this gene, the next gene will start.
Spouštěče ale nejsou pouhé spínače. Většinou vyžadují hodně ladění, hodně věcí přítomných a správných, než se geny zapnou. Takže co se typicky dělá v biotechnických oborech je, že použijeme vyvolatelné spouštěče, víme, jak je zapnout. Shromážďujeme je v potřebných genech, dáme do rostliny a pozorujeme, jak rostlina odpovídá.
Now, promoters are not simple on-off switches. They normally require a lot of fine-tuning, lots of things to be present and correct before that gene is switched on. So what's typically done in biotech studies is that we use an inducible promoter, we know how to switch it on. We couple that to genes of interest and put that into a plant and see how the plant responds.
Ve studiích, o kterých vám budu povídat, moji spolupracovníci používají suchem vyvolatelný spouštěč, který jsme objevili v rostlinách vzkříšení. Ta krásná věc v těchto spouštěčích je, že neděláme nic. Rostlina sama vycítí sucho. A využili jsme to k vyhnání antioxidantů z genů rostlin vzkříšení. Proč antioxidační geny? No, všechny zátěže, především zátěž sucha, končí tvořením volných radikálů nebo reaktivní formy kyslíku, které jsou velmi poškozující a mohou způsobit plodině smrt. Antioxidanty ale zastavují toto poškození.
In the study that I'm going to talk to you about, my collaborators used a drought-induced promoter, which we discovered in a resurrection plant. The nice thing about this promoter is that we do nothing. The plant itself senses drought. And we've used it to drive antioxidant genes from resurrection plants. Why antioxidant genes? Well, all stresses, particularly drought stress, results in the formation of free radicals, or reactive oxygen species, which are highly damaging and can cause crop death. What antioxidants do is stop that damage.
Tady jsou nějaká data druhu kukuřice, který je běžně využíván v Africe. Nalevo od šipky jsou rostliny bez těch genů, napravo -- rostliny s antioxidačními geny. Po třech týdnech bez zalévání si ty s těmi geny vedou o mnoho lépe.
So here's some data from a maize strain that's very popularly used in Africa. To the left of the arrow are plants without the genes, to the right -- plants with the antioxidant genes. After three weeks without watering, the ones with the genes do a hell of a lot better.
Teď k hlavnímu přístupu. Můj výzkum ukázal, že je tu výrazná podobnost mezi mechanismy vysoušecí tolerance v semenech a rostlinami vzkříšení. Tak jsem se zeptala, používají stejné geny? Nebo trochu jinak řečeno, používají rostliny vzkříšení geny vytvořené pro semennou vysoušecí toleranci v jejich kořenech a listech? Přemístily se tyto geny semene do kořenů a listů rostlin vzkříšení?
Now to the final approach. My research has shown that there's considerable similarity in the mechanisms of desiccation tolerance in seeds and resurrection plants. So I ask the question, are they using the same genes? Or slightly differently phrased, are resurrection plants using genes evolved in seed desiccation tolerance in their roots and leaves? Have they retasked these seed genes in roots and leaves of resurrection plants?
A na otázku odpovím výsledkem mnoha výzkumů mé skupiny a nedávné spolupráce se skupinou Henka Hilhorsta v Nizozemí, Melem Oliverem ze Spojených států a Julie Buitink z Francie. Odpovědí je ano, že existuje jádrová sada genů, která je zahrnuta v obou.
And I answer that question, as a consequence of a lot of research from my group and recent collaborations from a group of Henk Hilhorst in the Netherlands, Mel Oliver in the United States and Julia Buitink in France. The answer is yes, that there is a core set of genes that are involved in both.
A doložím vám to velmi nahrubo na kukuřici, kde chromozomy pod spínačem představují všechny geny požadované pro vysychající toleranci. Takže jak semínka kukuřice vysychají na konci jejich cyklu vývoje, zapnou tyto geny. Rostliny vzkříšení zapínají stejné geny, když vysychají. Proto všechny moderní plodiny mají tyto geny ve svých kořenech a listech, akorát je nikdy nezapnou. Zapnou je pouze v pletivu semene.
And I'm going to illustrate this very crudely for maize, where the chromosomes below the off switch represent all the genes that are required for desiccation tolerance. So as maize seeds dried out at the end of their period of development, they switch these genes on. Resurrection plants switch on the same genes when they dry out. All modern crops, therefore, have these genes in their roots and leaves, they just never switch them on. They only switch them on in seed tissues.
Takže co se právě teď snažíme udělat je pochopit signály prostředí a buněk, které zapínají tyto geny v rostlinách vzkříšení k imitaci toho procesu v plodinách.
So what we're trying to do right now is to understand the environmental and cellular signals that switch on these genes in resurrection plants, to mimic the process in crops.
A jedna závěrečná myšlenka. O co se velmi rychle snažíme, je zopakovat, co příroda udělala v evoluci rostlin vzkříšení zhruba 10 až 40 milionů let před námi.
And just a final thought. What we're trying to do very rapidly is to repeat what nature did in the evolution of resurrection plants some 10 to 40 million years ago.
Mé rostliny i já vám děkujeme za pozornost.
My plants and I thank you for your attention.
(Potlesk)
(Applause)