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.
Creo que el secreto para producir cultivos resistentes a la sequía, que debemos lograr para dar seguridad alimentaria al mundo, reside en las plantas de resurrección, representadas aquí, en un estado muy deshidratado. Podrían pensar que estas plantas están muertas, pero no lo están. Al darles agua, resucitarán, reverdecerán y comenzarán a crecer, entre 12 y 48 horas.
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.
¿Por qué sugiero que la producción de cultivos tolerantes a la sequía brindaría seguridad alimentaria? La población mundial actual es de alrededor de 7 mil millones. Y se estima que para el año 2050, vamos a ser entre 9 y 10 mil millones de personas, con la mayor tasa de crecimiento en África.
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.
Las organizaciones agrícolas de alimentos del mundo han sugerido que es necesario un aumento del 70% en la producción agrícola actual para satisfacer esa demanda. Ya que las plantas están en la base de la cadena alimentaria, la mayor parte tendrá que venir de las plantas.
That percentage of 70 percent does not take into consideration the potential effects of climate change.
Ese porcentaje del 70 % no tiene en cuenta los posibles efectos del cambio climático.
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.
Esto está tomado de un estudio realizado por Dai, publicado en 2011, donde tomó en consideración todos los efectos potenciales del cambio climático y señaló, entre otras cosas el aumento de la aridez debido a la sequía o lluvia poco frecuente. Las zonas en rojo mostradas aquí, son áreas que hasta hace poco se habían utilizado con mucho éxito para la agricultura, pero ya no más debido a la falta de lluvias. Esta es la situación que se prevé ocurrirá en el 2050. Gran parte de África, de hecho, gran parte del mundo, va a tener problemas. Tendremos que pensar en formas muy inteligentes para producir alimentos. Y de preferencia, cultivos resistentes a la sequía.
The other thing to remember about Africa is that most of their agriculture is rainfed.
También hay que recordar que en África la mayor parte de su agricultura es de secano.
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.
Hacer cultivos tolerantes a la sequía no es cosa fácil. Y la razón es el agua. El agua es esencial para la vida en este planeta. Todos los organismos vivos que metabolizan desde los microbios hasta tú y yo, estamos compuestos predominantemente de agua. Todas las reacciones de la vida suceden en el agua. Y la pérdida de una pequeña cantidad de agua resulta en la muerte. Tú y yo somos 65% agua, si perdemos un 1%, morimos. Pero podemos cambiar nuestro comportamiento para evitarlo. Las plantas no pueden. Están atrapados en el suelo. Por eso tienen un poco más de agua que nosotros, casi un 95 % de agua, y pueden perder un poco más que nosotros, entre 10 % y 70 %, dependiendo de la especie, pero por periodos cortos solamente.
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.
La mayoría tratarán de resistir o evitar la pérdida de agua. Ejemplos extremos los podemos encontrar en plantas suculentas. Tienden a ser pequeñas, muy atractivas, pero se aferran a su agua a tan alto costo que crecen muy lentamente. Los árboles y arbustos evitan la pérdida de agua. Envían raíces muy profundas, minan suministros de agua subterráneos y mantienen el flujo en todo momento, manteniéndose hidratados.
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.
El de la derecha es un baobab. También se le llama el árbol al revés, simplemente porque la proporción de las raíces con las ramas es tan grande que parece que el árbol se plantó al revés. Y, por supuesto, se requieren las raíces para la hidratación de esa planta.
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.
Y probablemente la estrategia más común se encuentra en las plantas anuales. Las anuales son la mayoría de nuestros alimentos vegetales. En la costa oeste de mi país, durante gran parte del año no se ve mucha vegetación. Pero al llegar las lluvias de primavera, se ve esto: flores en el desierto.
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.
La estrategia de las plantas anuales, es crecer solo en la temporada de lluvias. Al final de esa temporada producen semillas, que están secas, con entre 8% y 10% de agua, pero muy vivas. Y cualquier a cosa que esté seca y aún con vida, la llamamos tolerante a la desecación.
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.
En estado desecado, las semillas pueden sobrevivir en condiciones extremas por períodos prolongados de tiempo. con la siguiente temporada de lluvias, germinan y crecen, y todo el ciclo comienza de nuevo.
It's widely believed that the evolution of desiccation-tolerant seeds allowed the colonization and the radiation of flowering plants, or angiosperms, onto land.
Se cree ampliamente que la evolución de semillas tolerantes a la desecación permitió la colonización y la expansión de plantas con flores o angiospermas, hacia la tierra.
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.
Regresemos a que las anuales son nuestro principal suministro de alimentos. El trigo, el arroz y el maíz forman el 95% de nuestros alimentos vegetales. Y ha sido una buena estrategia porque en poco tiempo se pueden producir muchas semillas. Las semillas son ricas en energía y hay gran cantidad de calorías, se pueden almacenar en tiempos de abundancia para los tiempos de escasez, pero hay un inconveniente. Los tejidos vegetales, las raíces y hojas de las plantas anuales, no tienen por sí solas características inherentes de resistencia o tolerancia. Simplemente no las necesitan. Crecen en temporada de lluvias y tienen una semilla para sobrevivir el resto del año.
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.
Y así, a pesar de los esfuerzos conjuntos en la agricultura para hacer cultivos con propiedades mejoradas de resistencia, evasión y tolerancia, particularmente la resistencia y la evasión porque hemos tenido buenos modelos para entender cómo funcionan, todavía nos llegan imágenes como esta. Cosecha de maíz en África, dos semanas sin lluvia y está muerta.
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.
Hay una solución: plantas de resurrección. Estas plantas pueden perder el 95% de su agua celular, permanecer en un estado seco, muerto, durante meses o años, y al darles agua, reverdecen y comienzan a crecer de nuevo. Como las semillas, son tolerantes a la desecación. Como las semillas, pueden soportar condiciones ambientales extremas. Y es un fenómeno muy raro. Solo hay 135 especies de plantas con flores que pueden hacer esto.
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.
Voy a mostrarles un vídeo del proceso de resurrección de estas tres especies en ese orden. Y en la parte inferior, hay un eje de tiempo para que puedan ver lo rápido que pasa.
(Applause)
(Aplausos)
Pretty amazing, huh?
Bastante impresionante, ¿cierto?
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.
Me he pasado los últimos 21 años tratando de entender cómo lo hacen. ¿Cómo se secan estas plantas sin morir? Y trabajo con diferentes plantas de resurrección, mostradas aquí en los estados hidratados y secos, por distintas razones.
One of them is that each of these plants serves as a model for a crop that I'd like to make drought-tolerant.
Una es que cada una de estas plantas sirve como modelo para un cultivo que me gustaría hacer tolerante a la sequía.
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.
En el extremo superior izquierdo, por ejemplo, es una hierba, se llama Eragrostis nindensis, tiene un pariente cercano llamado Eragrostis tef... muchos sabrán que "teff" es un alimento básico en Etiopía, libre de gluten, y es algo que nos gustaría hacer tolerante a la sequía.
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?
La otra razón para examinar varias plantas, es que, al menos inicialmente, quería averiguar: ¿hacen lo mismo? ¿todas utilizan los mismos mecanismos para ser capaces de perder toda esa agua y no morir?
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.
Hice lo que llamamos un enfoque de la biología de sistemas con el fin de obtener una comprensión global de la tolerancia a la desecación, en donde nos fijamos en todo desde la molécula a la planta entera, el nivel ecofisiológico.
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.
Por ejemplo nos fijamos en los cambios en la anatomía de las plantas al secarse y su ultraestructura. Vemos el transcriptoma, que es solo un término para una tecnología con la que analizamos los genes que se activan o se apagan por la desecación. La mayoría de los genes codifican proteínas, así que vemos el proteoma. ¿Cuáles son las proteínas producidas en respuesta al secado? Algunas proteínas codifican enzimas que hacen metabolitos, así que nos fijamos en el metaboloma.
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.
Esto es importante porque las plantas están sujetas al suelo. Utilizan lo que yo llamo un arsenal químico altamente sintonizado para protegerse de todas las tensiones de su entorno. Así que es importante ver los cambios químicos implicados en el secado.
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.
Y en el último estudio que hacemos a nivel molecular, nos fijamos en el lipidome, el lípido cambia en respuesta al secado. Y eso es también importante porque todas las membranas biológicas están hechas de lípidos. Se usan como membranas porque están en el agua. Al quitar el agua, estas membranas se destruyen. Los lípidos también actúan como señales para activar genes.
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.
Luego usamos estudios fisiológicos y bioquímicos para tratar de entender la función de los protectores putativos que descubrimos en nuestros otros estudios. Y entonces utilizamos todo eso para tratar de entender cómo la planta enfrenta su entorno natural.
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.
Siempre he tenido la filosofía de que necesitaba una comprensión global de los mecanismos de tolerancia a la desecación para hacer una aportación significativa para una aplicación biótica.
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.
Estoy segura de que algunos están pensando, "Mediante recurso biótico, ¿significa que va a hacer cultivos modificados genéticamente?" Y la respuesta es: depende de su definición de modificación genética.
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.
Todos los cultivos que comemos hoy en día, trigo, arroz, maíz, están muy modificados genéticamente de sus antepasados, pero no los consideramos así porque se producen con el cultivo convencional. Si se refieren a poner genes de plantas de resurrección en los cultivos, la respuesta es sí.
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.
Durante todo este tiempo, hemos usado ese enfoque. Más precisamente, algunos de mis colaboradores en la UCT, Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen, han encabezado este enfoque y voy a mostrarles algunos datos pronto.
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.
Pero estamos a punto de embarcarnos en un enfoque muy ambicioso, en la que tratamos de activar grupos enteros de genes que ya están presentes en todos los cultivos. Nunca están encendidos en condiciones de sequía extrema. Por lo que deben decidir si se deben llamar GM o no.
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.
Les daré algunos de los datos de ese primer acercamiento. Y para hacer eso tengo que explicar un poco cómo funcionan los genes.
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.
Como todos sabemos, los genes están hechos de ADN de doble cadena. Se enrolla muy estrechamente en los cromosomas, están en todas las células de su cuerpo o en el cuerpo de una planta. Al desenrollar el ADN, se obtiene los genes. Y cada gen tiene un promotor, que es un interruptor de encendido y apagado, la región de la codificación del gen, y también un terminador, que indica el final de este gen y que el siguiente gen inicia.
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.
Los promotores no son solo interruptores de encendido y apagado. Por lo general requieren una afinación fina, muchas cosas deben estar presentes y bien antes de encender el gen. Lo que se hace típicamente en los estudios de biotecnología es usar un promotor inducible que sabemos cómo encenderlo. Lo aparejamos a los genes de interés, lo colocamos en una planta y vemos cómo responde la planta.
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.
En el estudio del que les voy a hablar mis colaboradores utilizaron un promotor inducido por la sequía, que descubrimos en una planta de resurrección. Lo bueno de este promotor es que no hacemos nada. La planta en sí detecta la sequía. Con esto llevamos genes antioxidantes de las plantas de resurrección. ¿Por qué genes antioxidantes? Bueno, todo el estrés, sobre todo la sequía, resulta en la formación de radicales libres, o especies reactivas de oxígeno, que son altamente perjudiciales y puede causar la muerte de los cultivos. Lo antioxidantes detienen el daño.
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.
Estos son algunos datos de una cepa de maíz muy usada en África. A la izquierda de la flecha están las plantas sin los genes, a la derecha, plantas con genes antioxidantes. Después de tres semanas sin riego, los que tienen los genes se recuperan mucho mejor.
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?
Para el enfoque final. Mi investigación ha demostrado que hay una considerable similitud en los mecanismos de tolerancia a la desecación en semillas y plantas de resurrección. Así que me hice la pregunta, ¿utilizan los mismos genes? O parafraseado, ¿las plantas de resurrección evolucionaron semillas con genes tolerantes a la desecación en sus raíces y hojas? ¿Han reasignado la tarea de estos genes de semillas en las raíces y las hojas de las plantas de resurrección?
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.
Y respondo a esa pregunta, gracias a una gran cantidad de investigación de mi grupo y recientes colaboraciones de un grupo de Henk Hilhorst en los Países Bajos, Mel Oliver en los Estados Unidos y Julia Buitink en Francia. La respuesta es sí, hay un conjunto básico de genes que están involucrados en ambos.
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.
Voy a ilustrar esto muy crudamente para el maíz, donde los cromosomas desactivados representan todos los genes requeridos para tolerar la desecación. Al secarse las semillas de maíz, al final de su período de desarrollo, se activan estos genes. Las plantas de resurrección activan los mismos genes cuando se secan. Todos los cultivos modernos, por lo tanto, tienen estos genes en sus raíces y hojas, pero nunca los activan. Solo se encienden en los tejidos de semillas.
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.
Lo que estamos tratando de hacer ahora es entender las señales ambientales y celulares que activan estos genes en plantas de resurrección, para imitar el proceso en los cultivos.
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.
Un pensamiento final. Lo que estamos tratando de hacer rapidamente es repetir lo que la naturaleza hizo en la evolución con las plantas de resurrección hace entre 10 y 40 millones de años.
My plants and I thank you for your attention.
Mis plantas y yo les damos las gracias por su atención.
(Applause)
(Aplausos)