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.
Szerintem a különösen szárazságtűrő növények termesztésének titka, azoké, amelyek képesek lennének garantálni a világ élelmiszer-biztonságát, az újraéledő növényekben rejlik. Ezek itt, a képen, különösen kiszáradt állapotban láthatóak. Az gondolhatják, hogy ezek a növények halottnak tűnnek. de nem. Adjunk nekik vizet, és újraélednek, kizöldülnek, és 12-48 órán belül elkezdenek növekedni.
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.
Tehát, miért javaslom azt, hogy szárazságtűrő növényekkel próbáljunk gondoskodni az élelmiszer-biztonságról? Nos, jelenleg a világ népessége 7 milliárd fő körül van. És a 2050-re szóló becslések szerint 9-10 milliárdan leszünk. A növekedés nagy része Afrikában fog bekövetkezni.
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.
A világ élelmiszer és mezőgazdasági szervezetei az javasolták, hogy 70%-al növeljük a jelenlegi mezőgazdasági termelést az igények kielégítésére. Tekintettel arra, hogy az élelmiszerlánc alapja a növények, minden a növényektől függ.
That percentage of 70 percent does not take into consideration the potential effects of climate change.
Ez a 70%-os növekedés nem veszi figyelembe a klímaváltozás lehetséges hatását.
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.
Dai egyik 2011-ben közölt tanulmányában figyelembe vette és bemutatta az összes lehetségeset, így - egyebek mellett - az esők hiánya vagy nem kellő mennyisége hatására kialakuló fokozott szárazságot. A vörössel jelzett területek, olyan területek, amelyek a közelmúltig nagyon sikeres mezőgazdasági tevékenységet folytattak, de fel kellett hagyniuk vele az eső hiánya miatt. 2050-re várhatóan ilyen lesz a helyzet. Afrika, de valójában a világ nagy része bajban lesz. Ki kell, hogy találjunk pár jó módszert az élelmiszerek termelésére, leginkább a szárazságtűrő növényekére.
The other thing to remember about Africa is that most of their agriculture is rainfed.
Nem szabad elfelejtenünk, hogy Afrika, termőföldjeinek nagy része az esőtől függ.
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.
Szárazságtűrő növényeket alkotni nem a legegyszerűbb dolog a világon. Ennek az oka a víz. A víz nélkülözhetetlen az élethez ezen a bolygón. Az összes élő, anyagcserét folytató élőlény, a mikrobáktól az emberig, túlnyomórészt vízből áll. Minden élethez köthető reakció vízben történik. És már kis mennyiségű víz elvesztése is halálhoz vezet. Testünk 65%-a víz -- ha elveszítjük 1%-át, meghalunk. De tudunk úgy cselekedni, hogy ezt elkerüljük. A növények nem. Ők a földhöz vannak kötve. Ezért először is, egy kicsit több víz van bennük, mint bennünk, körülbelül 95%, és kicsit többet veszíthetnek belőle nálunk, olyan 10-70%-ot, attól függően, milyen fajról van szó, de csak egy rövid ideig.
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.
A legtöbbjük megpróbál ellenállni, vagy elkerülni a vízveszteséget. Extrém példa az ellenállókra a pozsgások. Általában kicsik, nagyon vonzóak, de hatalmas árat fizetnek a vízmegtartó képességükért: rendkívül lassan növekednek. A vízveszteség elkerülésére jó példákat találunk a fáknál és cserjéknél. Gyökereiket nagyon mélyre fúrják, megcsapolják a talajvíz-készletet, és folyamatosan biztosítják vízellátásukat, és vízzel telítve tartják magukat.
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 jobb oldali növény a majomkenyérfa. Amit felfordított fának is neveznek, egyszerűen azért, mivel a gyökerek aránya olyan nagy a lombkoronához képest, hogy úgy tűnik, mintha fejjel lefelé ültették volna el. Természetesen ezek a gyökerek a fa vízellátása miatt szükségesek.
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.
Talán a legismertebb példa a vízhiány elleni védekezésre az egynyári növényeké. Az egynyári növények teszik ki élelmünk nagy részét. Például ahol élek, a nyugati partvidéken, az év nagy részében nem látni nagy növekedést a vegetációban. De ha eljönnek a tavaszi esők, ezt lájuk: kivirágzik a sivatag.
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.
Az egynyári növények stratégiája, hogy csak az esős évszakban nőnek. Az évszak végén magot hoznak, ami száraz, 8-10% víztartalmú, de nagyon is él. Ami ennyire száraz és mégis él, azt kiszáradástűrőnek mondjuk.
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.
Kiszáradt állapotban a magok szélsőséges környezetben is hosszú ideig életben tudnak maradni. Amikor a legközelebbi esős évszak jön, kicsíráznak és elkezdenek nőni, majd az egész körfolyamat újrakezdődik.
It's widely believed that the evolution of desiccation-tolerant seeds allowed the colonization and the radiation of flowering plants, or angiosperms, onto land.
Sokan gondolják úgy, hogy a kiszáradás- tűrő magok kialakulása tette lehetővé az egynyári és zárvatermő növények számára a szárazföld meghódítását és elterjedésüket a világban.
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.
De vissza az egynyáriakhoz, mint a fő élelemforrásunkhoz. A búza, a rizs és a kukorica 95%-át adják a növényi élelmiszer-készleteinknek. Ez egy jó stratégia volt, mivel rövid idő alatt lehet előállítani sok magot. A magok energiában gazdagok, ezért sok bennük a kalória, sokáig lehet tárolni őket, felkészülve az éhínség időszakára. De van egy hátrányuk: A vegetatív szövetek az egynyáriak gyökere és levelei nem nagyon képesek például az állandó ellenállásra, szárazság elkerülésére vagy tolerálásra. Egyszerűen nincs rá szükségük. Az esős évszakban nőnek, és van magjuk, ami segíti a túlélésüket az év további időszakaiban.
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.
Ezért minden igyekezetünk ellenére, hogy olyan növényeket neveljünk, amelyek jobb ellenállással, elkerüléssel és toleranciával rendelkeznek -- különösen ellenállással és elkerüléssel, mivel jó modelljeink vannak a folyamatok és a működésük megértéséhez -- még mindig ilyen képeket láthatunk. Kukorica Afrikában, két hét eső nélkül és elpusztul.
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.
A megoldás: újraéledő növények. Ezek képesek arra, hogy elveszítsék 95%-át sejtjeik víztartalmának, kiszáradt, múmiaszerű állapotban maradnak hónapokig vagy évekig, majd ha vizet adunk nekik, kizöldülnek és újra nőni kezdenek. Ezek a növények kiszáradástűrők, akárcsak a magok, A magokhoz hasonlóan képesek ellenállni szélsőséges környezeti feltételeknek. És ez egy nagyon ritka jelenség. Összesen 135 virágos növényfajt ismerünk, ami képes rá.
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.
Egy videón bemutatom az újraéledés folyamatát három fajnál, ebben a sorrendben. Az alján olvasható az idő, így látszik mennyire gyors a folyamat.
(Applause)
(Taps)
Pretty amazing, huh?
Elképesztő, ugye?
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.
Nos az elmúlt 21 évemet azzal töltöttem, hogy megértsem, hogyan működik ez. Hogy tudnak kiszáradni a növények anélkül, hogy elpusztulnának? Különböző újraéledő növénnyel dolgoztam, -- itt láthatóak nedves és száraz állapotban --, több ok miatt is.
One of them is that each of these plants serves as a model for a crop that I'd like to make drought-tolerant.
Egyik ok, hogy mind mintául szolgálhat azon haszonnövényeknek, amelyeket szárazságtűrővé akarunk tenni.
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.
A bal felső sarokban például egy fűfélét látunk, amit Eragrostis nindensis néven ismerünk, közeli rokonságban áll az Eragrostis tef-fel -- sokan "teff" néven ismerhetik -- ami Etiópia legfontosabb élelme, és gluténmentes, és ez az egyik, amit szeretnénk szárazságtűrővé tenni.
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?
A másik ok, amiért számos növényt megvizsgáltam - legalábbis kezdetben - hogy tudni akartam: mind ugyanúgy csinálja? Mind ugyanazt a mechanizmust használják, hogy elveszítve víztartalmukat mégis életben maradjanak?
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.
Belevágtam a rendszer-biológiai megközelítésbe, hogy átfogó képet kapjak a kiszáradás-tűrésről. Ebben mindent vizsgálunk, a molekulától a teljes növényig, ökológiai szintig.
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.
Például, olyan dolgokat, hogy miként változik a kiszáradt növények anatómiája, ultrastruktúrája. Megvizsgáltuk a transzkriptómákat, ami azt technológiát jelenti, hogy megkeressük azokat a géneket, melyek ki- vagy bekapcsolnak a kiszáradás hatására. A legtöbb gén fehérjéket kódol, így fehérjekészletet elemeztük. Melyik fehérjék felelősek a szárazságtűrésért? Néhány fehérje enzimeket kódol, melyek anyagcsere-termékeket állítanak elő, ezért vizsgáltuk e termékeket.
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.
Ez azért fontos, mivel a növények a földhöz kötötten élnek. Nagyon finoman hangolt kémiai fegyvertárat használnak, hogy megvédjék magukat a káros környezeti hatásoktól. Szintén fontos, hogy vizsgáltuk a kiszáradás okozta kémiai változásokat.
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.
Az utolsó kutatásunkat molekuláris szinten végezzük: a lipideket vizsgáljuk, amik változnak a kiszáradás hatására. Ez szintén fontos, mivel az összes biológiai membrán lipidekből épül fel. Ők tartják össze a membránt, mivel vízben vannak. Ha elvesszük a vizet, e membránok szétesnek. A lipidek a gének bekapcsoló jeleként is működnek.
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.
Aztán fiziológiai és biokémiai kutatásokat végzünk, hogy megpróbáljuk megérteni a feltételezett védőanyagok működését, amiket már más kutatásokban felfedeztünk. Ezután e tudással megpróbáljuk megérteni, hogyan alkalmazkodnak a növények természetes élőhelyükön.
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.
Mindig az volt a filozófiám, hogy átfogóan kell megérteni a szárazságtűrés működését ahhoz, hogy hasznos tanácsokat tudjunk adni a biomérnökök munkájához.
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.
Most biztosan azt gondolják: "Biomérnöki munkák, ez azt jelenti, hogy génmódosított növények?" A válasz erre a kérdésre: Attól függ, hogy mit nevezünk génmódosításnak.
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.
Az összes növény, amit manapság eszünk, búza, rizs és kukorica, genetikailag nagy mértékben eltérnek az őseiktől, de nem tekinthetők génmódosítottnak, mivel hagyományos nemesítéssel készültek. Ha úgy értik, hogy újraéledő növényi géneket rakok a növényekbe, akkor a válasz igen.
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.
Korábban már próbálkoztunk ezzel a megközelítéssel. Pontosabban, néhány kollégám a Cape Town Egyetemen, Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen, kiválóak e megközelítésben. Nemsokára mutatok néhány adatot erről.
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.
De bele akarunk kezdeni egy nagyra törő kutatásba, amely be akar kapcsolni egy teljes sorozat gént, melyek minden növényben megtalálhatóak. Csak ezek egyszerűen nem kapcsolódtak be nagyon száraz időben. Döntsék el önök, hogy ez génmódosítás-e vagy sem.
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.
Mutatok néhány adatot, az első megközelítésből. Ehhez viszont pár dolgot el kell mondanom arról, hogyan működnek a gének.
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.
Gondolom, mindenki tudja, a gének a kettős DNS-szálból épülnek fel. Ezek építik fel a kromoszómákat, amelyek minden emberi vagy növényi sejtben benne vannak. Ha legombolyítjuk a DNS-t, akkor géneket kapunk. Minden génnek van egy indító (promóter) szakasza, ami csak egy be/ki kapcsoló a gén kódterületén, és egy záró (terminátor) szakasza, amely jelzi, hogy itt a vége a génnek és kezdődik a következő.
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.
De a promóterek nem egyszerű be/ki kapcsolók. Sok finomhangolást igényelnek, sok dolognak kell pontosan a helyén lennie, mielőtt a gén bekapcsolódik. A biotechnológiai kutatásban többnyire gerjeszthető promótert használnak, aminek ismert a bekapcsolása. Van pár érdekes génünk, amiket beteszünk a növényekbe, és azt vizsgáljuk, hogyan reagálnak rá.
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.
A kutatásban, amiről beszélni akarok, kollégáim szárazság hatására kapcsoló promótert használnak, amiket mi az újraéledő növényekben fedeztünk fel. A legjobb ezekben a promóterekben, hogy semmit sem kell tennünk. A növény maga észleli a szárazságot. Arra használjuk őket, hogy antioxidáns géneket vigyünk át újraéledő növényekből. Miért antioxidáns géneket? Minden stressz, különösen a szárazságstressz, szabad gyökök, vagy reaktív oxigén képződését eredményezi, melyek nagyon károsak és a növény pusztulását okozhatják. Az antioxidánsok meg tudják gátolni ezt a a károsodást.
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.
Itt láthatunk néhány adatot egy Afrikában nagyon népszerű kukoricafajtáról. A nyíltól balra a gén nélküli növényeket látjuk, jobbra pedig az antioxidáns gént tartalmazó növényeket. Három öntözés nélküli hét után, a gént tartalmazó növények sokkal jobban néznek ki.
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?
Végül összefoglalásként. A kutatásom kimutatta, hogy jelentős hasonlóság van a magok és az újraéledő növények szárazságtűrése között. Ezért feltettem a kérdést: azonos géneket használnak? Vagy kicsit máshogy megfogalmazva: az újraéledő növények kifejlesztették a magok kiszáradás-tűrését a leveleikben és a gyökereikben? Ezek a mag-gének új feladatot kaptak az újraéledők gyökereiben és leveleiben?
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.
És megválaszoltam a kérdést: csoportom kutatómunkájának, valamint a holland Henk Hilhorst, az amerikai Mel Oliver és a francia Julia Buitink kutatókkal történt együttműködésünknek köszönhetően, a válasz: igen. Van egy sor olyan gén, amely mind a két folyamatban részt vesz.
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.
Ez nagyon határozottan be tudom mutatni a kukoricán, ahol a kapcsolók alatti kromoszómák jelképezik az összes gént, amelyek szükségesek a szárazságtűréshez. Amikor a kukoricamag kiszárad, a kifejlődésének a végén, bekapcsolja e géneket. Az újraéledő növények ugyanezeket a géneket kapcsolják be, amikor kiszáradnak. Ebből adódóan, az összes haszonnövény rendelkezik ezekkel a génekkel, csak soha nem kapcsolják be őket. Csak a magszövetekben. Most meg szeretnénk érteni
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 környezeti és sejtes jelzőket, amelyek bekapcsolják az újraéledő növényekben ezeket a géneket, és leutánozni a folyamatot a haszonnövényeinkben. És végül egy gondolat.
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.
Mi most megpróbáljuk nagyon gyorsan megismételni azt, amit az evolúció 10-40 millió év alatt tett az újraéledő növényekkel. A növényeim és én is köszönöm a figyelmet!
My plants and I thank you for your attention.
(Taps)
(Applause)