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.
Aš tikiu, jog paslaptis, kaip užauginti ekstremaliai sausrai atsparius augalus, kurie užtikrintų maisto išteklius visame pasaulyje, slypi prisikeliančiuose augaluose, pavaizduotuose čia, ekstremaliai sausringoje valstijoje. Galite manyti, jog šie augalai yra negyvi, bet taip nėra. Duokite jiems vandens, ir jie prisikels, sužydės, pradės augti per 12-48 valandas.
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.
Taigi, kodėl aš siūlyčiau auginti sausrai atsparius augalus, kurie užtikrintų maisto aprūpinimą? Na, dabartinė žemės populiacija yra apie 7 milijardai. Spėjama, jog atėjus 2050 m., žemėje bus nuo 9 iki 10 milijardų žmonių, su didžiausia šio augimo dalimi vykstančia Afrikoje.
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.
Pasaulio maisto ir žemdirbystės organizacijos pasiūlė, jog mum reikia 70 procentų padidėjimo dabartinėje žemdirbystės praktikoje, jog būtų išpildyta paklausa. Dėl to, kad augalai yra pagrindas maisto grandinėje, didžioji dalis to turės atkeliauti iš augalų.
That percentage of 70 percent does not take into consideration the potential effects of climate change.
Dalis iš tų 70 procentų nepaiso galimų poveikių, kuriuos gali sukelti klimato kaita.
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.
Tai paimta iš Dai studijų, publikuotų 2011 m., kada jis atkreipė dėmesį į visus potencialius klimato kaitos poveikius ir juos išreiškė – be kitų dalykų – padidėjęs sausumas dėl lietaus stokos ar nelietingumo. Čia rodomose raudonose zonose yra vietos, kurios neseniai buvo labai sėkmingai naudojamos žemdirbystei, tačiau jau yra nebenaudojamos dėl lietaus stokos. Tai yra situacija, kuri, spėjama, įvyks 2050 m. Dalis Afrikos ir didelė dalis pasaulio greitai bus didelėje bėdoje. Turėsime sugalvoti labai gudrius būdus, kaip užsiauginti maisto. Ir tarp jų labiausiai norima dalies sausrai atsparių augalų.
The other thing to remember about Africa is that most of their agriculture is rainfed.
Kitas dalykas, atsimenant Afriką yra, kad didžioji dalis jų žemdirbystės palaikoma lietumi.
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.
Užauginti sausrai atsparius augalus nėra pats lengviausias dalykas. To priežastis – vanduo. Vanduo yra būtinas gyvybei. Visi gyvi, aktyūs organizmai, nuo mikrobų iki manęs ir tavęs, daugiausia yra sudaryti iš vandens. Visos gyvybės reakcijos vyksta vandenyje. Ir maža vandens netektis gali reikšti mirtį. Aš ir tu esame 65 procentai vandens – prarasime tą 1 procentą – mirsime Bet mūsų elgesys gali pakisti, kad to išvengtume. Augalai to negali. Jie įstrigę žemėje. Visų pirma, jie turi daugiau vandens už mus, apie 95 procentus vandens, ir jie gali prarasti truputį daugiau nei mes, nuo 10 iki maždaug 70 procentų, priklausomai nuo rūšies, bet tik labai trumpai.
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.
Dauguma bandys išvengti ar atsispirti vandens praradimui. Ryškiausi atsispiriančiųjų pavyzdžiai gali būti randami sukulentuose. Jie būna maži, labai patrauklūs, bet saugo vandenį taip stipriai, kad turi už tai atsipirkti itin lėtais augimo tempais. Vandens praradimo vengimas randamas medžiuose ir krūmuose. Jie išleidžia labai ilgas šaknis, išgauna podirvio vandenį ir visad naudojasi šiuo vandeniu, palaiko savo drėgmę.
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.
Medis dešinėje vadinamas baobabu. Jis dar vadinamas apverstu-medžiu, paprasčiausiai dėl to, kad proporcija tarp šaknų ir šakų yra tokia didelė, jog net atrodo, kad medis pasodintas aukštyn kojomis. Žinoma, šaknys yra reikalingos, jog palaikytų augalui drėkinimą.
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.
Tikriausiai pati dažniausia nepraradimo strategija yra vienmečiuose augaluose. Vienmečiai sudaro didelę dalį mūsų augalinio maisto šaltinio. Mano šalies vakarų pakrantėje didelę metų dalį nematome daug augančios žalumos. Bet tik ateina pavasario lietus, matome žydinčias dykumas.
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.
Strategija vienmečiuose tokia, kad jie auga tik lietingu sezonu. To sezono pabaigoje jie užaugina sėklas, kurios yra sausos, 8-10 proc. vandens, bet lygiai tiek pat gyvos. Ir viską, kas yra tokie sausi ir vis dar gyvi, vadiname džiūvimą toleruojančiais.
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.
Sausoje būsenoje sėklos gali išlikti sunkiomis sąlygomis ilgesnį laiko tarpsnį. Kitą kartą atėjus lietaus sezonui, jos sudygsta ir auga, ir visas ciklas prasideda iš naujo.
It's widely believed that the evolution of desiccation-tolerant seeds allowed the colonization and the radiation of flowering plants, or angiosperms, onto land.
Yra plačiai manoma, jog sausų sėklų evoliucija atsakinga už žydinčių augalų kolonizaciją, arba už gaubtasėklių žydėjimą žemėje.
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.
Bet grįžkime prie vienmečių, kaip mūsų pagrindinio maisto šaltinio. Kviečiai, ryžiai, kukurūzai sudaro 95 proc. visų augalinio maisto išteklių. Ir tai buvo puiki strategija, nes gana greitai galima užauginti labai daug sėklų. Sėklos yra turtingos energija, todėl jos kaloringos, galime jas kaupti, kai jų netrūksta, arba bado metu, bet yra blogoji pusė. Augaliniai audiniai, vienmečių šaknys ir lapai, nepasižymi savybėmis, kurios būdingos vandens praradimui, atsparumui ar toleravimui. Jiems to tiesiog nereikia. Jie auga lietingu sezonu ir jie turi sėklą, kuri padeda išgyventi likusius metus.
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.
Taigi nepaisant vieningų pastangų žemdirbystėje padaryti augalus atsparesniais vandens praradimui, sausumo tolerancijai, o ypač vandens praradimui, nes mes turėjome modelius, kurie padėjo suprast jų veikimą, mes vis vien gauname tokius vaizdus. Kukurūzų laukas Afrikoje, dvi savaitės be lietaus ir visa tai pražuvo.
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.
Yra išeitis: prisikeliantys augalai. Pastarieji gali prarasti 95 proc. savo ląstelinio vandens, išlikti sausais, tarsi negyvose būsenose mėnesius ar net metus, o gavę vandens jie sužaliuoja ir pradeda augti. Kaip sėklos, jie yra džiūvimą toleruojantys. Kaip sėklos, jie gali ištverti gamtos sunkumus. Ir tai yra gana retas fenomenas. Yra tik 135 žydinčių augalų rūšys, kurios gali tai padaryti.
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.
Parodysiu jums vaizdo įrašą, kaip prisikelia šios trys skirtingos rūšys tokia eile. O apačioje yra laiko ašis, kad suprastumėt, kaip greit tai vyksta.
(Applause)
(Plojimai.)
Pretty amazing, huh?
Nuostabu, ar ne?
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.
Taigi aš praleidau 21 metus bandydama suprasti, kaip tai veikia. Kaip jie išdžiūna nemirdami? Ir aš dirbu su daugybe skirtingų prisikeliančių augalų, kaip matote, drėgnose ir sausose būsenose, dėl tam tikrų priežasčių.
One of them is that each of these plants serves as a model for a crop that I'd like to make drought-tolerant.
Viena iš jų, kad kiekvienas augalas veikia kaip modelis augalui, kurį noriu padaryti sausrą toleruojančiu.
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.
Taigi viršuje, kairėje, pavyzdžiui, yra žolė, ji vadinama Eragrostis nindensis, ji turi artimą giminaitį Eragrostis tef – daugeliui jūsų jis žinomas kaip posmilgės – tai pagrindinis maistas Etiopijoje, jis yra be gliuteno, ir tai yra kažkas, ką norime paversti sausrą toleruojančiu.
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?
Kita priežastis žiūrėti į daugybę kitų augalų yra, kad, bent iš pradžių, norėjau sužinoti: ar jie atlieka tą patį dalyką? Ar naudojasi tais pačiais būdais, kad galėtų prarasti visą savo vandenį ir nemirtų?
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.
Aš ėmiausi vadinamojo sisteminės biologijos metodo, kad turėtume visapusį supratimą apie atsparumą džiūvimui, kur mes žiūrime į viską, nuo molekulės iki viso augalo, ekofiziologinio lygio.
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.
Pavyzdžiui, mes žiūrime į augalų anatomijos pokyčius, kai jie išdžiuvo ir jų ultrastruktūrą. Mes žiūrime į transkriptomą, tai yra pavadinimas technologijų, kuriose mes žiūrim į genus, kurie yra įjungti arba ne, reaguojant į džiūvimą. Daugelis genų koduos baltymus, todėl žiūrime į proteomą. Kokie baltymai yra gaminami reaguojant į džiūvimą? Kai kurie baltymai koduoja fermentus, kurie sudaro metabolitus, todėl žiūrime į metabolomą.
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.
Tai yra svarbu, nes augalai yra įstrigę žemėje. Jie naudojasi, ką aš vadinu, gerai suderintu chemikalų arsenalu, kad apsisaugotų nuo aplinkos sunkumų. Taigi svarbu, kad žiūrėtume į cheminius pokyčius augalui džiūnant.
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.
Ir paskutiniame tyrime, atliekamame molekulių lygyje, mes žiūrime į lipidomą – lipidų pokyčius, vykstančius džiūnant. Tai irgi yra svarbu, nes visos biologinės membranos yra sudarytos iš lipidų. Jie veikia kaip membranos, nes jie yra vandenyje. Atimk vandenį, tos membranos sugriūna. Lipidai irgi veikia kaip signalai, kad įjungtų genus.
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.
Tada mes naudojame fiziologines ir biochemines studijas bandydami suprasti spėjamų apsaugotojų funkciją, kurią atradome kituose mūsų tyrimuose. Ir naudoti visa tai bandant suprasti, kaip augalas geba susidoroti su natūralia aplinka.
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.
Aš visados maniau, jog man reikia išsamaus džiūvimo tolerancijos mechanizmo supratimo, kad galėčiau sukurti sėkmingą pasiūlymą biotiniam pritaikymui.
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.
Daugelis iš jūsų dabar galvoja, „biotinis pritaikymas, ar tai reiškia, kad ji gamins genetiškai modifikuotus augalus?“ Atsakymas į šį klausimą yra: priklauso nuo „genetiškai modifikuotas“ apibrėžimo.
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.
Visi augalai, kurios valgome, kviečiai, žolės, kukurūzai yra stipriai genetiškai modifikuoti iš savo protėvių, bet mes jų nelaikom GM, nes jie yra gaminami paprastuoju veisimu. Ar aš ketinu įdėti prisikėlimo genus į augalus? Atsakymas yra taip.
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.
Per visą savo laiką bandėme ir šį metodą. Tiksliau, kai kurie mano kolegos iš Keiptauno universiteto, Jennifer Thompson, Suhail Rafudeen, vadovavo atliekant tą metodą. Ir greit jum parodysiu duomenų.
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.
Bet greitai mes pradėsime naują labai ambicingą metodą, kuriame mes tikimės įjungti visus genų rinkinius, kurie jau ir taip yra kiekviename augale. Jie tiesiog niekada neįjungti esant žiaurioms sausros sąlygoms. Palieku jums nuspręsti, ar jie visgi vadintini GM ar ne.
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.
Duosiu jums dalį duomenų iš mūsų pirmojo metodo. Ir kad juos suprastumėte, turiu paaiškinti šiek tiek, kaip veikia genai.
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.
Taigi visi jūs turbūt žinote, kad genai yra sudaryti iš DNR. Jie susisukę tankiai į chromosomas, kurios yra kiekvienoje ląstelėje, mūsų ir augalo ląstelėse. Jei išvyniosime DNR, gausime genus. Ir kiekvienas genas turi propaguotoją, kuris tiesiog yra įjungtas-išjungtas mygtukas, genų kodavimo zoną ir tada terminatorių, kuris pasako, kad tai yra geno pabaiga, kitas genas prasideda čia.
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.
Propaguotojai nėra paprasti įjungtas-išjungas mygtukai. Jie dažnai reikalauja daug tikslaus derinimo, daug reikalingų dalykų, prieš įjungiant genui. Taigi kas tipiškai atliekama biotechnologijų studijose, mes naudojame indukuojamą propaguotoją, mes žinome kaip jį įjungti. Mes sukabiname juos į dominančius genus ir įdedame į augalus, stebime, koks yra atsakas.
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.
Tyrime, apie kurį jums pasakosiu, kolegos naudojo sausrą indukuojančius propaguotojus, kuriuos mes radome prisikeliančiuose augaluose. Geroji šio propaguotojo dalis, kad mums nereikia daryti nieko. Augalas pats jaučia sausrą. Ir mes naudojom tai, kad ištrauktume antioksidantinius genus iš augalo. Kodėl antioksidantiniai genai? Na, visi sunkumai, ypač sausros sunkumai, sukelia laisvų radikalų kūrimąsi, arba reaktingas deguonies atmainas, kurios stipriai žaloja augalą, ir dėl to jis gali mirti. Antioksidantai sustabdo tą žalą.
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.
Štai truputis duomenų iš kukurūzų atmainos, kuri itin populiari Afrikoje. Rodyklės kairėje yra augalai be genų, dešinėje – augalai su antioksidantiniais genais. Po trijų savaičių be vandens tie su genais išliko daug geriau, nei tie be genų.
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?
Dabar paskutinis metodas. Mano paieškos parodė, jog yra aiškių mechanizmų panašumų tarp džiūvimo tolerancijos sėklose ir prisikeliančių augalų. Taigi keliu klausimą, ar jie naudoja tą patį geną? Arba šiek tiek perfrazuotai, ar prisikeliantys augalai naudoja genus, kilusius iš sėklų džiūvimo tolerancijos, savo lapuose ir šaknyse? Ar jie skyrė naują darbą sėklų genams prisikeliančių augalų lapuose ir šaknyse?
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.
Aš atsakau, kaip pasekmė mano grupės plačių tyrimų ir bendradarbiavimu su Henko Hihhorsto grupe Nyderlanduose, Mel Oliver Jungtinėse Karalystėje ir Julia Buitnik Prancūzijoje. Atsakymas yra taip, yra ryški grupė genų, kuri atsakinga už abu.
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.
Ir pailiustruosiu tai labai grubiai kukurūzams, kur chromosomos žemiau išjungimo mygtuko atstovauja visus genus, kurie reikalingi džiūvimo tolerancijai. Taigi, kai kukurūzų sėklos išdžiuvo jų vystymosi pabaigoje, jie įjungė šiuos genus. Prisikeliantys augalai įjungia tuos pačius genus, kai jie išdžiūna. Visi modernūs javai dėl to turi šiuos genus savo lapuose ir šaknyse, tik jie niekada jų neįjungia. Jie juos įjungia tik sėklų audiniuose.
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.
Ką mes bandome padaryti dabar, yra suprasti aplinkos ir ląstelinius signalus, kurie įjungia tuos genus prisikeliančiuose augaluose, kad atkurtų procesus augaluose.
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.
Ir paskutinė mintis. Ką mes bandome padaryti labai sparčiai, yra atkartoti, ką gamta padarė per evoliuciją prisikeliančiuose augaluose prieš 10-40 milijonų metų.
My plants and I thank you for your attention.
Mano augalai ir aš dėkoju už jūsų dėmesį.
(Applause)
(Plojimai.)