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.
Je crois que le secret pour cultiver des plantes résistantes à la sécheresse qui assurera la sécurité alimentaire dans le monde est dans les plantes de résurrection, extrêmement desséchées sur la photo. Vous devez penser que ces plantes sont mortes mais elles ne le sont pas. Donnez-leur de l'eau et elles ressusciteront, verdiront, grandiront en 12 à 48 heures.
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.
Alors, pourquoi je prétends que les plantes résistantes à la sécheresse nous aideront à atteindre la sécurité alimentaire ? La population mondiale actuelle est d'environ 7 milliards. On estime qu'en 2050, nous serons entre 9 et 10 milliards, la plus forte croissance étant en Afrique.
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.
Les organisations alimentaires et agricoles ont suggéré qu'on devrait augmenter de 70% les pratiques agricoles actuelles afin de répondre à ces besoins. Vu qu'une plante est en bas de la chaîne alimentaire, la plus grosse part devra être fournie par des plantes.
That percentage of 70 percent does not take into consideration the potential effects of climate change.
Ce pourcentage de 70% ne prend pas en considération les effets du changement climatique.
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.
Ceci est tiré d'une étude faite par Dai, publiée en 2011 : il a pris en considération tous les effets potentiels du changement climatique et les a exprimés parmi d'autres effets qui favorisaient l'aridité, suite à l'absence ou la diminution des pluies. Les zones en rouge ici, sont celles qui, jusqu'à récemment, ont été utilisées avec succès pour l'agriculture mais ne le sont plus à cause du manque de pluie. Ceci est la situation qu'on prévoit pour l'an 2050. L'Afrique surtout, mais le monde entier, sera en danger. Nous devrons penser à de nouveaux moyens pour produire notre nourriture. Et de préférence, entre autres, aux plantes résistantes à la sécheresse.
The other thing to remember about Africa is that most of their agriculture is rainfed.
L'autre chose à rappeler à propos de l’Afrique est que son agriculture est majoritairement pluviale.
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.
Obtenir des plantes résistantes à la sécheresse n'est pas facile. C'est à cause de l'eau. L'eau est essentielle à la vie sur cette planète. Tout être vivant, tout organisme actif, des microbes à vous et moi est constitué majoritairement d'eau ; toutes les réactions vivantes ont lieu dans l'eau ; et la perte d'une petite quantité d'eau est létale. Nous sommes composés à 65% d'eau, si nous en perdons 1%, nous mourons. Mais nous pouvons changer de comportement pour éviter cela, les plantes ne le peuvent pas. Elles sont fixées au sol. Déjà, elles ont besoin d'un peu plus d'eau que nous, environ 95 % d'eau, et elles peuvent en perdre un peu plus que nous, de 10 à 70 % en fonctions des espèces. Mais pour une courte durée seulement.
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 plupart d'entre elles vont essayer de résister ou d'éviter la perte d'eau. Les plantes succulentes, ou grasses, sont un exemple extrême de résistance : elles ont tendance à être petites, très attirantes, mais elles tiennent tellement à leur eau que leur croissance en est extrêmement ralentie. Les arbres et arbustes sont un bon exemple d'évitement de la perte d'eau, ils enfoncent leurs racines très profondément jusqu'aux réserves souterraines d'eau et ils y restent connectés en permanence afin de rester hydratés.
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.
Celui à droite est appelé un baobab, aussi appelé « arbre à l'envers » parce que l'écart entre le nombre de branches et de racines et si grand qu'on dirait qu'il est planté à l'envers. Bien sûr, les racines sont indispensables à son hydratation.
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.
Enfin, la stratégie la plus commune d’évitement est celle des plantes vivaces. Les plantes vivaces représentent l'essentiel des ressources alimentaires. Sur la côte ouest de mon pays, durant l'année, il y a peu de croissance végétale mais dés qu'il y a les pluies de printemps, on a ceci : la floraison du désert.
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 stratégie des plantes vivaces est de ne croître que pendant la saison de pluie. A la fin de la saison, elles produisent des graines qui sont sèches, entre 8 à 10 % d'eau mais tout à fait vivantes. Et tout ce qui est aussi sec mais est quand même vivant est appelé tolérant au dessèchement.
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.
Dans cet état desséché, les graines peuvent persister dans des environnements extrêmes pendant de longues périodes. Quand la saison des pluies démarre, les graines germent et croissent et le cycle recommence encore et encore.
It's widely believed that the evolution of desiccation-tolerant seeds allowed the colonization and the radiation of flowering plants, or angiosperms, onto land.
On considère généralement que l’évolution des graines résistantes à la sécheresse a permis la colonisation et le développement des plantes à fleurs ou angiospermes, dans les terres.
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.
Revenons aux plantes vivaces qui sont notre principale source de nourriture. Blé, riz et maïs constituent 95% de notre alimentation en végétaux. Et c'est une bonne stratégie qui permet d'avoir beaucoup de graines en peu de temps, les graines sont riches en énergie et donc en calories, on peut les stocker en périodes d'abondance pour celles de famine mais il y a un inconvénient : les tissus végétaux, les racines et les feuilles des plantes vivaces, ont peu de caractéristique de tolérance, évitement ou résistance à la sécheresse, ils n'en ont pas besoin. Ils poussent en saison pluvieuse et ils ont les graines qui les aident à survivre le reste de l'année.
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.
En dépit de tous les efforts en agriculture, pour obtenir des plantes aux propriétés améliorées en résistance, évitement et tolérance, surtout en résistance et évitement car on a de bons exemples pour comprendre ces mécanismes, on a encore de telles photos : une culture de maïs en Afrique. Deux semaines sans pluie et tout est mort.
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.
Il y a une solution : les plantes de résurrection. Ces plantes peuvent perdre 95% de leur eau cellulaire, persister dans un état sec pendant des mois, voire des années, mais donnez-leur de l'eau et elles vont verdir et reprennent leur croissance. Comme les graines, elles tolèrent la sécheresse ; comme les graines, elles résistent aux conditions extrêmes. Et c'est un phénomène très rare, il n'y a que 135 espèces de plantes qui peuvent vivre ainsi.
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.
Je vais vous montrer une vidéo du processus de résurrection de ces trois espèces, dans cet ordre. En bas, il y a un axe temporel pour voir comme c'est rapide.
(Applause)
(Applaudissements)
Pretty amazing, huh?
Impressionnant, hein ?
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.
J'ai passé 21 ans à chercher à comprendre comment elles font. Comment ces plantes sèchent sans mourir ? J'étudie une variété de plantes de résurrection, montrées ici en états hydraté et desséché, pour de nombreuses raisons.
One of them is that each of these plants serves as a model for a crop that I'd like to make drought-tolerant.
L'une d'elles est que chaque plante sert de modèle à une culture que je veux rendre tolérante à la sécheresse.
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 haut à gauche par exemple, c'est une herbe, nommée Eragrostis nindensis, qui a un cousin proche nommé Eragrostis tef, souvent connu sou le nom « tef ». C'est un aliment de base en Éthiopie, sans gluten, et on aimerait le rendre tolérant à la sécheresse.
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?
L'autre raison pour mes nombreuses recherches : au départ, je voulais découvrir si elles faisaient la même chose. Utilisent-elles toutes le même mécanisme pour perdre toute cette eau sans mourir ?
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.
Alors j'ai opté pour une approche des sytèmes biologiques afin de comprendre la tolérance au dessèchement, une approche où on regarde l'ensemble : des molécules à la plante entière, au niveau écophysiologique. Par exemple, on observe
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.
les changements anatomiques lors du dessèchement et leur ultrastructure. Nous observons le transcriptome, c'est le nom d'une technologie qui permet d'étudier les gènes activés ou désactivés en réponse au dessèchement. Les gènes codent des protéines donc on observe le protéome. Quelles sont les protéines synthétisées en réponse au dessèchement ? Certaines protéines codent des enzymes qui donnent des métabolites donc on observe le métabolome.
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.
C'est important car les plantes sont fixées au sol, elles utilisent ce que j'appelle un arsenal chimique perfectionné pour se protéger contre les attaques environnementales. Donc il est important d'observer les changements chimiques impliqués lors du dessèchement.
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.
Lors de la dernière étude au niveau moléculaire, on observe le lipidome, les lipides qui varient lors de l'assèchement. C'est aussi important car toutes les membranes biologiques sont faites de lipides, elles tiennent leur rôle car elles sont dans l'eau. Retirez l'eau et la membrane s'écroule. Les lipides jouent aussi le rôles de signaux d'activation des gènes
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.
alors on utilise des études physiologiques et biochimiques afin de comprendre le rôle des protecteurs putatifs qu'on a découverts dans nos autres études. On utilise tout ceci pour comprendre comment la plante réagit à son environnement naturel.
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.
J'ai toujours pensé que je devais comprendre le mécanisme de la tolérance au dessèchement afin de suggérer une application biotique sensée.
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.
Je pari que certains se demandent : « par application biotique, veut-elle dire fabriquer des organismes génétiquement modifiés ? » et la réponse à cette question est : ça dépend de votre définition de modification génétique.
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.
Les plantes que nous mangeons aujourd'hui : blé, riz et maïs, sont hautement modifiées, comparées à leurs ancêtres mais nous ne les appelons pas OGM car elles sont produites conventionnellement. Si vous pensez : vais-je mettre des gènes de plantes résistantes dans ces cultures ? La réponse est : oui.
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.
Durant nos recherches, nous avons tenté cette approche ; plus exactement, mes collaborateurs à l'UCT, Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen, ont été à l'origine de cette démarche et je vais vous montrer quelques résultats bientôt.
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.
Mais nous allons sommes sur le point d'entamer une démarche très ambitieuse, dans laquelle nous essayerons d'activer une série de gènes, qui sont déjà présents dans chaque plante mais qui ne sont pas activés durant les sécheresses extrêmes. Je vous laisse décider s'il faudrait les qualifier d'OGM ou pas.
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.
Je vais vous donner quelques données issues de la première étude. Pour ce faire, je dois un peu vous expliquer comment fonctionne un gène.
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.
Vous savez sûrement que les gènes sont fait d'ADN à doubles brins, enroulés serrés, ils forment les chromosomes qui sont présents dans toutes les cellules du corps humain ou végétal. Si vous déroulez l'ADN, vous avez les gènes. Chaque gène a un promoteur, sorte d'interrupteur ON-OFF, une partie codante du gène, et un terminateur qui indique la fin d'un gène et le début du suivant.
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.
Mais les promoteurs ne sont pas de simples interrupteurs, ils nécessitent un réglage fin, beaucoup d'éléments doivent être présents et validés avant d'activer le gène. Donc ce qui se fait généralement en biotechnologie, c'est qu'on utilise des promoteurs déclenchables, qu'on sait comment activer. On les associe au gène qui nous intéresse puis on les met dans une plante et on observe sa réponse.
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.
Dans l'étude dont je vais vous parler, mes collaborateurs ont utilisé un promoteur déclenché par la sécheresse découvert chez une plante de résurrection. C'est un promoteur sympa car nous n'avons rien à faire. La plante elle-même reconnaît la sécheresse, On l'a utilisée afin d'activer les gènes antioxydants des plantes de résurrection. Pourquoi les gènes antioxydants ? Tous les types de stress, en particulier la sécheresse, provoque la formation de radicaux libres ou espèces oxygénées réactives qui endommagent et peuvent tuer la plante. Les antioxydants stoppent la détérioration.
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.
Donc, voici des données sur une souche de maïs très utilisée en Afrique. A gauche de la flèche sont les plantes sans ces gènes ; à droite, les pantes avec les gènes antioxydants. Après 3 semaines sans irrigation, celles avec les gènes se portent beaucoup mieux.
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 propos de la dernière étude : mes recherches ont démontré une similarité considérable entre le mécanisme de tolérance au dessèchement des graines et des plantes de résurrection. Alors je me suis posé la question : utilisent-elles les mêmes gènes ? Posée différemment : les plantes résistantes utilisent-elles des gènes dérivés de ceux des graines résistantes dans leurs racines et feuilles ? Ont-ils reconfiguré ces gènes dans les racines et les feuilles des plantes de résurrection ?
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.
Et je réponds à cette question, après de nombreuses recherches de mon équipe et de récentes collaborations avec un groupe de Henk Hillhorst aux Pays-Bas, Mel Oliver aux États-Unis et Julia Buintink en France. La réponse est : oui. Il y a un ensemble de gènes impliqués dans les deux cas
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.
et je vais grossièrement l'illustrer dans le cas du maïs. Les chromosomes en dessous de l’interrupteur représentent tous les gènes nécessaires à la tolérance à la sécheresse. Lorsque les grains de maïs sèchent à la fin de leur cycle de vie, ils activent ces gènes. Les plantes de résurrection activent les mêmes gènes lorsqu'elles se dessèchent. Donc toutes les cultures actuelles ont ces gènes dans leurs racines et feuilles, mais elles ne les ont jamais activés. Elles ne les ont activés que dans leurs graines.
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.
Ce que nous essayons de faire, c'est comprendre les signaux cellulaires et environnementaux qui activent ces gènes dans les plantes de résurrection afin d'imiter ce processus dans les cultures.
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.
Une dernière remarque : ce que nous essayons de faire en peu de temps est d'imiter ce qu'a fait la nature dans l'évolution des plantes de résurrection, il y a 10 à 40 millions d'années.
My plants and I thank you for your attention.
Mes plantes et moi vous remercions pour votre attention.
(Applause)
(Applaudissements)