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.
Credo che il segreto per produrre colture molto resistenti alla siccità, che potrebbero in qualche modo portare la sicurezza alimentare nel mondo, risieda nelle "piante della resurrezione", raffigurate qui, in uno stato di estrema mancanza d'acqua. Potreste pensare che queste piante siano morte, ma non lo sono. Dategli dell'acqua, e risorgeranno, si rinverdiranno, cominceranno a crescere, in 12-48 ore.
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.
Ora, perchè suggerirei l'idea che produrre colture resistenti alla siccità ci condurrà alla sicurezza alimentare? Beh, l'attuale popolazione mondiale si aggira sui 7 miliardi. E si stima che entro il 2050, saremo tra i 9 e i 10 miliardi di persone, con la maggior parte di questa crescita concentrata in Africa.
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.
Le organizzazoni mondiali per il cibo e l'agricoltura hanno suggerito che avremo bisogno di una crescita del 70% nelle attuali pratiche agricole per soddisfare quella domanda. Dato che le piante sono alla base della catena alimentare, la maggior parte dovrà provenire dalle piante.
That percentage of 70 percent does not take into consideration the potential effects of climate change.
Questa percentuale del 70% non prende in considerazione gli eventuali effetti dei cambiamenti climatici.
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.
Questa immagine proviene da uno studio di Dai pubblicato nel 2011, nel quale prese in considerazione tutti i potenziali effetti dei cambiamenti climatici e dichiarò che, tra le altre cose, ci sarà una maggiore aridità dovuta alla mancanza o riduzione delle precipitazioni. Le aree in rosso mostrate qui, sono aree che fino a poco tempo fa erano proficuamente usate per l'agricoltura, ma non possono più esserlo a causa della scarsità delle piogge. Questa è la situazione prevista per il 2050. La maggior parte dell'Africa, di fatto, la maggior parte del mondo, si troverà nei guai. Dovremo pensare a dei modi molto intelligenti di produrre cibo. E preferibilmente tra questi, alle piante resistenti alla siccità.
The other thing to remember about Africa is that most of their agriculture is rainfed.
L'altra cosa da ricordare sull'Africa è che la maggior parte della loro agricoltura è irrigata con la pioggia.
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.
Ora, creare piante resistenti alla siccità non è la cosa più facile del mondo. E la ragione è l'acqua. L'acqua è essenziale per la vita su questo pianeta. Tutti gli organismi viventi, con un metabolismo attivo, dai microbi a voi e me, sono composti principalmente da acqua. Tutte le reazioni vitali accadono in acqua. E una perdita di una piccola quantità di acqua porta alla morte. Voi ed io siamo composti al 65% d'acqua. Se ne perdiamo l'1%, moriamo. Ma possiamo cambiare il nostro comportamento per evitarlo. Le piante non possono. Sono legate al terreno. Perciò in primo luogo hanno un po' più d'acqua rispetto a noi, circa il 95% di acqua, e possono perderne un po' più di noi, dal 10 al 70%, a seconda della specie, ma solo per brevi periodi.
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 maggior parte cercherà di resistere o di evitare la perdita d'acqua. Un ottimo esempio di resistenza può essere trovato nelle piante grasse. Tendono ad essere piccole, molto belle, ma si tengono stretta la propria acqua al prezzo di crescere molto lentamente. Esempi di contenimento della perdita d'acqua si trovano tra alberi e cespugli. Incastrano al suolo radici molto profonde, estraggono risorse d'acqua sotterranee e la fanno fluire al loro interno in ogni momento, mantenendosi idratate.
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.
Quello a destra è chiamato Baobab. Anche conosciuto come l'albero a testa in giù, semplicemente perchè la proporzione delle radici rispetto ai rami è tanto grande da far sembrare che l'albero sia stato piantato a testa in giù. E ovviamente le radici sono necessarie per l'idratazione della pianta.
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.
E probabilmente la strategia più comune di contenimento si trova nelle piante annuali. Le annuali costituiscono la maggior parte del nostre risorse di piante alimentari. Sulla costa occidentale del mio paese, per la maggior parte dell'anno non si osserva una grande crescita vegetale. Ma all'arrivo delle piogge primaverili, si ottiene questo: la fioritura del deserto.
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 strategia nelle annuali, è quella di crescere solo nella stagione piovosa. Alla fine di quella stagione producono un seme, che è secco, dall'8 al 10% di acqua, ma molto attivo. E tutto ciò che è così secco ma comunque attivo, è ritenuto resistente all'essicazione.
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.
Nello stato essiccato, quello che i semi possono fare è giacere agli estremi dell'ambiente per lunghi periodi di tempo. La volta successiva in cui una pioggia estiva arriva, germogliano e crescono, e l'intero ciclo semplicemente ricomincia.
It's widely believed that the evolution of desiccation-tolerant seeds allowed the colonization and the radiation of flowering plants, or angiosperms, onto land.
È opinione condivisa che l'evoluzione delle piante resistenti alla siccità abbia permesso la colonizzazione e la diffusione delle piante da fioritura, o angiosperme, sulla terraferma.
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.
Ma torniamo alle piante annuali, cioè alla nostra scorta alimentare. Grano, riso e mais costituiscono il 95% delle nostre scorte di cibo vegetali. Ed è un'ottima strategia perché in un breve periodo di tempo se ne posso produrre molti semi. I semi sono ricchi di energia, hanno molte calorie, e possiamo conservarli in tempi di abbondanza per tempi di magra, ma c'è un lato negativo. I tessuti vegetali, le radici e le foglie delle annuali, non hanno molto in termini di resistenza connaturata, contenimento e tolleranza. Semplicemente non ne hanno bisogno. Crescono nella stagione piovosa e hanno un seme che le aiuta a sopravvivere il resto dell'anno.
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.
E quindi nonostante gli sforzi in agricoltura per creare colture con migliori proprietà di resistenza, contenimento e tolleranza – soprattutto di resistenza e contenimento perché abbiamo avuto buoni modelli per capire come funzionano – ancora abbiamo immagini come questa. Piante di mais in Africa, due settimane senza pioggia e sono morte.
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.
C'è una soluzione: le piante della resurrezione. Queste piante possono perdere il 95% della loro acqua cellulare, rimanere in uno stato secco, simile alla morte, da mesi ad anni, e dandogli acqua, rinverdiscono e ricominciano a crescere. Come i semi, sono resistenti alla siccità. Come i semi, possono sopportare condizioni ambientali estreme. Ed questo è un fenomeno molto raro. Ci sono solo 135 specie di piante da fioritura che possono farlo.
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.
Vi voglio mostrare un video del processo di resurrezione di queste tre specie in quest'ordine. E sul fondo c'è un'asse del tempo in modo che possiate vedere quanto velocemente accade.
(Applause)
(Applausi)
Pretty amazing, huh?
Straordinario, eh?
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.
Ho passato gli ultimi 21 anni cercando di capire come possano farlo. Come possono queste piante seccare senza morire? Lavoro su una serie di piante della resurrezione, mostrate qui nello stato idratato e secco, per una serie di ragioni.
One of them is that each of these plants serves as a model for a crop that I'd like to make drought-tolerant.
Uno di questi è che ciascuna di queste piante è utile come modello per una coltivazione che vorrei rendere resistente alla siccità.
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.
Nell'angolo in alto a sinistra, per esempio, c'è un'erba, è chiamata Eragrostis nindensis, ha un parente stretto chiamato Eragostis tef – molti di voi potrebbero conoscerla come "teff" – è un alimento principale in Etiopia, è senza glutine, ed è una pianta che ci piacerebbe rendere resistente alla siccità.
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'altra ragione per osservare un certo numero di piante, è che, almeno all'inizio, volevo capire: fanno la stessa cosa? Usano tutte lo stesso meccanismo per essere capaci di perdere tutta l'acqua senza morire?
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.
Quindi ho intrapreso quello che chiamiamo un approccio da "sistema biologico" in modo da avere una comprensione totale della tolleranza alla siccità, nel quale osserviamo tutto dal molecolare all'ecofisiologia dell'intera pianta.
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.
Per esempio, osserviamo cose come cambiamenti nell'anatomia della pianta mentre si seccano, e la loro ultrastruttura. Osserviamo il transcrittoma, un termine che indica una tecnologia nella quale osserviamo i geni che sono accesi o spenti, in seguito all'essiccazione. La maggior parte dei geni codificano le proteine, perciò osserviamo il proteoma. Quali sono le proteine create in risposta all'essiccazione? Alcune proteine codificheranno enzimi che creano metaboliti, quindi osserviamo il 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.
Ora, questo è importante perché le piante sono attaccate al terreno. Usano quello che io chiamo un arsenale chimico super concentrato per proteggersi da tutti gli stress ambientali. Quindi è importante studiare i cambiamenti chimici coinvolti nell'essicazione.
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.
E nell'ultimo studio fatto a livello molecolare, guardiamo al lipidoma; i lipidi cambiano in risposta all'essiccazione. E ciò è importante perchè tutte le membrane biologiche sono fatte di lipidi. Sono utilizzati come membrane perché sono immersi in acqua. Togli l'acqua, e queste membrane si sgretolano. I lipidi inoltre fungono da segnali per catalizzare i geni.
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.
A questo punto usiamo studi fisiologici e biochimici per cercare di capire il ruolo degli ipotetici protettori che abbiamo scoperto nei nostri altri studi. Usiamo tutto ciò per cercare di capire come la pianta affronta il suo ambiente naturale.
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.
Ho sempre avuto l'idea che avessi bisogno di una comprensione globale del meccanismo della tolleranza dell'essicazione in modo da ricavarne una concreta proposta per un'applicazione biotecnologica.
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.
Sono sicura che alcuni di voi stanno pensando "Con l'applicazione biotica, vuol dire che farà piante geneticamente modificate?" E la risposta alla domanda è: dipende dalla tua definizione di geneticamente modificato.
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.
Tutte le colture che mangiamo, grano,riso e mais sono altamente geneticamente modificate dai loro antenati ma noi non li consideriamo GM perché sono state prodotte in maniera convenzionale. Se intendete, metto geni responsabili della resurrezione all'interno di altre piante, la vostra risposta sarà sì.
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.
Nello spirito del tempo, abbiamo provato questo approccio. Detto in maniera migliore, alcuni miei collaboratori all'UCT, Jennifer Thomson, Suhali Rafudeen, hanno testato in anteprima questo approccio e fra poco vi mostrerò alcuni dati.
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.
Ma stiamo per intraprendere un approccio estremamente ambizioso nel quale cerchiamo di attivare un intero set di geni che sono già presenti in tutte le colture. Non sono mai stati attivati in condizioni di siccità estrema. Lascio a voi decidere se questi debbano essere chiamati 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.
Ora vi darò alcuni dati ottenuti con quest'approccio. E per fare ciò devo spiegare un pochino come funzionano i geni.
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.
Probabilmente tutti sanno che i geni sono fatti di DNA a doppia elica. È pressato molto strettamente all'interno dei cromosomi che sono presenti in tutte le cellule del vostro corpo o di una pianta. Se voi srotolate questo DNA, otterrete i geni. E ogni gene ha un promotore, che è un solo interruttore, la regione che codifica il gene, e poi un termine, che indica la fine del gene e l'inizio del prossimo.
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.
Ora, i promotori non sono semplici interruttori. Normalmente richiedono molti ritocchi, molte parti devono essere presenti e corrette prima che il gene venga attivato. Quindi ciò che si fa solitamente negli studi biotecnologici è di usare un promotore ad induzione, sappiamo come accenderli. Lo accoppiamo a geni che ci interessano e lo mettiamo dentro ad una pianta per vedere come risponde.
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.
Nello studio di cui vi sto per parlare, i miei collaboratori hanno usato un promotore innescato dalla siccità che abbiamo trovato in una delle piante della risurrezione. La cosa bella del promotore è che noi non facciamo niente. La pianta stessa sente la siccità. E l'abbiamo usato per guidare geni antiossidanti da piante della risurrezione. Perché geni antiossidanti? Beh, tutti gli stress, e in particolare quelli dovuti alla siccità, portano alla formazione di radicali liberi, o specie reattive all'ossigeno che provocano molti danni e possono portare alla morte della pianta. Ciò che fanno gli antiossidanti è bloccare questi danni.
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.
Qui ci sono alcuni dati di un ceppo di mais che viene usato molto in Africa: a sinistra della freccia ci sono piante senza geni; a destra, piante con geni antiossidanti. Dopo tre settimane senza annaffiarle, quelle con i geni hanno fatto molto meglio.
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?
Ora la parte finale. La mia ricerca ha mostrato che c'è una forte somiglianza nei meccanismi di tolleranza al disseccamento nei semi e nelle piante della risurrezione. Quindi io mi domando, usano gli stessi geni? O detto in altre parole, le piante della resurrezione usano geni, evoluti nei semi per tollerare il disseccamento, nelle radici e nelle foglie? Hanno cambiato scopo a questi geni nelle radici e nelle foglie delle piante della risurrezione?
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.
Ho risposto alla domanda, come conseguenza di molte ricerche svolte dal mio gruppo, e grazie alla collaborazione con il gruppo di Henk Hilhorst in Olanda, Mel Oliver negli Stati Uniti e Julia Buitink in Francia. La risposta è sì, c'è un nucleo di geni che sono coinvolti in entrambi.
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.
E vi voglio mostrare questo nel mais, dove il cromosoma sotto il pulsante off rappresenta tutti i geni necessari per la tolleranza al disseccamento. Così quando i semi del mais si seccano alla fine del loro periodo di sviluppo, attivano questi geni. Le piante della risurrezione attivano questi stessi geni quando si seccano. Tutte le moderne colture, perciò, hanno questi geni nelle loro radici e nelle foglie, ma non li attivano mai. Li attivano solamente all'interno dei semi.
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.
Quello che stiamo cercando di fare qui è di capire i segnali ambientali e cellulari che attivano questi geni nelle piante della risurrezione, per imitare il processo nelle altre colture.
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'ultima cosa: quello che stiamo cercando di fare molto rapidamente è di ripetere quello che la natura ha fatto nell'evoluzione delle piante della risurrezione
My plants and I thank you for your attention.
circa tra i 10 e i 40 milioni di anni fa
(Applause)
Le mie piante ed io vi ringraziamo per la vostra attenzione.