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.
Ik denk dat het geheim van het kweken van zeer droogte-tolerant gewas dat wellicht voor voedselzekerheid kan zorgen, in opstandingsplanten zit. Die zie je hier in extreem droge toestand. Je zou kunnen denken dat deze planten dood zijn, maar dat is niet zo. Als je ze water geeft, richten ze zich weer op en gaan groeien binnen 12 tot 48 uur.
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.
Waarom denk ik dat het kweken van droogte-tolerant gewas voedselzekerheid zou kunnen opleveren? De wereldbevolking is zo'n 7 miljard. Men voorspelt dat deze rond 2050 zo'n 9 tot 10 miljard is, met de sterkste groei in Afrika.
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.
De voedsel- en agrarische organisaties hebben voorspeld dat er 70 procent groei nodig is van de huidige agrarische productie om in die vraag te voorzien. Planten staan aan de basis van de voedselketen dus zal het grootste aandeel moeten komen van planten.
That percentage of 70 percent does not take into consideration the potential effects of climate change.
In die 70 procent zijn de mogelijke gevolgen van de klimaatverandering nog niet opgenomen.
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.
Dit komt uit een onderzoek door Dai, gepubliceerd in 2011, waarin hij alle mogelijke effecten van klimaatverandering meenam, zoals de toegenomen dorheid door gebrek aan regen. Deze rode plekken zijn gebieden waar tot voor kort met succes aan landbouw werd gedaan, maar nu niet meer vanwege gebrek aan regen. Dit is de voorspelling voor 2050. Een groot deel van Afrika, in feite van de wereld, komt in gevaar. We moeten slimme manieren bedenken om voedsel te produceren. Liefst ook met droogte-tolerante gewassen.
The other thing to remember about Africa is that most of their agriculture is rainfed.
Je moet ook onthouden over Afrika, dat de meeste landbouw er afhankelijk is van regen.
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.
Droogte-tolerant gewas kweken is niet zo makkelijk. Dat komt door het water. Water is van levensbelang op deze planeet. Alle levende organismen met stofwisseling, van microben tot jij en ik, zijn voornamelijk samengesteld uit water. Bij alle biologische processen is water nodig. Verlies van de minste hoeveelheid water veroorzaakt de dood. Jij en ik zijn voor 65 procent water -- een procent minder en we gaan dood. We kunnen ons wel aanpassen om dat te voorkomen. Planten kunnen dat niet. Ze zitten vast in de grond. In eerste instantie hebben ze iets meer water dan wij, ongeveer 95 procent, en ze kunnen iets meer verliezen dan wij, zo'n 10 tot 70 procent, afhankelijk van welke soort, maar slechts korte tijd.
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.
De meeste zullen proberen de droogte te weerstaan of verlies te vermijden. Extreme voorbeelden van zulke bikkels vind je onder de vetplanten. Ze zijn vaak klein en aantrekkelijk, maar ze houden water zó goed vast dat ze extreem langzaam groeien. Het beperken van waterverlies zie je bij sommige bomen en struiken. Hun wortels groeien erg diep, waar ze onderaards water vinden en zich daarmee steeds blijven spoelen, om zo vochtig te blijven.
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.
Aan de rechterkant zie je de baobab. Ook wel de onderstebovenboom genoemd, omdat ze zoveel meer wortels dan takken hebben, dat het lijkt of de boom omgekeerd is geplant. De wortels zijn natuurlijk nodig voor de watervoorziening.
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.
De meestgebruikte strategie tegen waterverlies vind je bij eenjarigen. Eenjarigen maken het grootste deel uit van ons plantaardige voedsel. Aan de westkust van mijn land zie je het grootste deel van het jaar niet veel vegetatie. Maar als de voorjaarsregen komt, krijg je dit: een bloeiende woestijn.
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.
De strategie van eenjarigen is dat ze alleen in het regenseizoen groeien. Aan het eind van dat seizoen produceren ze zaad dat droog is, acht tot tien procent water, maar het leeft wel. En alles wat zo droog is, maar wel leeft, noemen we verdrogingstolerant.
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.
In verdroogde toestand, kunnen de zaden in extreme omgevingen liggen gedurende langere tijd. Als het regenseizoen dan komt, ontkiemen ze en groeien, en start de hele kringloop opnieuw.
It's widely believed that the evolution of desiccation-tolerant seeds allowed the colonization and the radiation of flowering plants, or angiosperms, onto land.
Het wordt algemeen verondersteld dat de evolutie van verdrogingstolerante zaden kolonisatie en verspreiding mogelijk maakten van bloeiende planten of bedektzadigen op land.
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.
Terug naar de eenjarigen, als belangrijkste voedselleverancier. Graan, rijst en mais vormen 95 procent van ons plantaardige voedsel. Het is een goede strategie want in korte tijd kan je veel zaad produceren. Rijk aan energie, dus met veel calorieën erin. Je kan het opslaan bij overvloed voor tijden met hongersnood, maar er is een schaduwzijde. De plantaardige weefsels, wortels en bladeren van eenjarigen, hebben maar weinig aangeboren weerstand-, vermijdings- of tolerantie-eigenschappen. Die hebben ze niet nodig. Ze groeien in het regenseizoen en ze hebben zaad om de rest van het jaar te overleven.
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.
Ondanks gezamenlijke pogingen in de landbouw om gewassen te kweken met verbeterde eigenschappen qua weerstand, vermijding en tolerantie, vooral weerstand en vermijding omdat we goede modellen hebben van de werking -- krijgen we nog steeds plaatjes als deze. Mais in Afrika, twee weken geen regen en het is dood.
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.
Er is een oplossing: opstandingsplanten. Deze planten kunnen 95 procent water uit hun cellen verliezen, maanden tot jaren in droge, bijna-dode toestand leven. Zodra ze water krijgen, worden ze groen en gaan weer groeien. Net als zaden zijn ze verdrogingstolerant. Ze kunnen net als zaden tegen extreme omstandigheden. Dat is een erg zeldzaam fenomeen. Er zijn maar 135 soorten bloeiende planten die dat kunnen.
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.
Ik laat je een filmpje zien van het opstandingsproces van deze drie soorten in die volgorde. Beneden staat een tijdas zodat je kunt zien hoe snel het gebeurt.
(Applause)
(Applaus)
Pretty amazing, huh?
Wat bijzonder, hè?
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.
In de afgelopen 21 jaar heb ik geprobeerd dat te begrijpen. Hoe drogen die planten uit zonder dood te gaan? Ik werk met allerlei soorten opstandingsplanten, hier in volgezogen en in droge toestand, vanwege een aantal redenen.
One of them is that each of these plants serves as a model for a crop that I'd like to make drought-tolerant.
Een ervan is dat elke plant als model fungeert voor een gewas dat ik droogte-tolerant wil maken.
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.
Linksboven zie je bijvoorbeeld de grassoort Eragrostis nindensis. Een verwante soort, Eragrostis tef, kennen jullie misschien als 'teff'. Het is een basisvoedsel in Ethiopië. Het is glutenvrij, en we willen het droogte-tolerant maken.
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?
Een andere reden om naar diverse planten te kijken is dat ik, vooral aanvankelijk, wilde uitzoeken of ze hetzelfde doen. Gebruiken ze hetzelfde mechanisme om bij dergelijk waterverlies niet dood te gaan? Ik gebruikte de systeembiologiebenadering
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.
voor een goed begrip van verdrogingstolerantie. We bekeken alles van moleculen tot de hele plant op ecofysiologisch niveau.
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.
We kijken naar veranderingen in de anatomie als hij verdroogt, en zijn ultrastructuur. We kijken naar het transcriptoom, een term voor een techniek van genen bekijken die aan- en uitgaan als reactie op droogte. De meeste genen coderen voor eiwitten. Dus bekijken we het proteoom. Welke eiwitten worden gemaakt vanwege droogte? Sommige eiwitten coderen voor enzymen die metabolieten maken, dus bekijken we het metaboloom.
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.
Dat is belangrijk want planten zitten vast in de grond. Ze gebruiken een goed afgestemd 'scheikundig arsenaal' om zichzelf te beschermen tegen alle stress uit hun omgeving. Het is belangrijk dat we kijken naar de chemische veranderingen door droogte.
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.
In het laatste onderzoek op moleculair niveau, bekijken we het lipidoom, de lipide veranderingen door droogte. Dat is ook belangrijk want alle biologische membranen zijn gemaakt van lipide. Ze vormen membranen omdat ze in water zitten. Zonder water vallen de membranen uit elkaar. Lipiden fungeren ook als signalen om genen aan te zetten.
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.
We gebruiken ook fysiologie- en biochemiestudies om de functie van mogelijke beschermers te begrijpen die we hebben ontdekt in eerder onderzoek. Hiermee proberen we te begrijpen hoe planten omgaan met hun natuurlijke omgeving.
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.
Ik ben altijd van mening geweest dat ik flink wat kennis nodig had van de werking van verdrogingstolerantie om daarmee een zinvol voorstel te doen voor een bioptische toepassing.
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.
Ik denk dat sommigen nu denken: "Bedoelt ze daarmee dat ze genetisch gemodificeerde gewassen wil?" Het antwoord daarop is: het hangt af van jouw definitie van genetische modificatie.
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.
Alle gewassen die we eten, tarwe, grassen en mais, zijn genetisch erg gemodificeerd door hun voorouders, maar dat vinden we geen ggo, omdat ze traditioneel gekweekt zijn. Als je bedoelt of ik oprichtingsplantgenen in gewas stop, dan is het antwoord ja.
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.
In wezen hebben we dat gedaan. Preciezer: sommige van mijn collega's op de UCT Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen, leidden die aanpak en ik zal zo wat gegevens laten zien.
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.
Maar we staan op het punt om een ambitieuze aanpak te beginnen, waarin we hele rijen genen willen aanzetten die al in elk gewas zitten. Ze zijn alleen nog nooit aangezet in extreem droge omstandigheden. Ik laat je zelf beslissen of dat ggo moet heten of niet.
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.
Ik geef je nu wat gegevens van die eerste benadering. Om dat te doen moet ik wat uitleggen over de werking van genen.
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.
Je weet waarschijnlijk dat genen zijn gemaakt van gedraaid DNA. Het is strak opgewonden als chromosomen die in elke cel zitten van mensen en planten. Als je DNA ontrafelt, krijg je genen. En elk gen heeft een promotor, wat eigenlijk een aan/uitknop is, het genencodeergebied en een afsluiter die aangeeft waar het einde van het gen is en waar een nieuw gen begint.
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.
Die promotors zijn niet gewoon aan-uitknoppen. Ze moeten meestal goed afgesteld worden. Veel moet aanwezig en in orde zijn voordat het gen aangaat. In biotechnologie-onderzoek gebruikt men doorgaans een induceerbare promotor, waarvan we weten hoe hij aan moet. We koppelen dat aan belangrijke genen en stoppen die in een plant en kijken hoe die reageert.
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.
Bij het onderzoek waarover ik ga vertellen, gebruikten mijn medewerkers een door droogte ontstane promotor, die we ontdekten in oprichtingsplanten. Het mooie van die promotor is dat we niets doen. De plant voelt zelf de droogte. Dat gebruikten we om antioxidant-genen uit oprichtingsplanten te halen. Waarom antioxidant-genen? Alle soorten stress, vooral door droogte, zorgen voor de aanmaak van vrije radicalen, of reactieve zuurstofverbindingen, die veel kapot maken en zelfs gewas kunnen doen afsterven. Antioxidanten stoppen die beschadiging.
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.
Hier zijn gegevens van een maisras dat in Afrika populair is. Links staan planten zonder de genen, rechts planten mét de antioxidant-genen. Na drie weken zonder watergeven, doen die met de genen het een stuk beter.
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?
Nu de laatste benadering. Mijn onderzoek laat zien dat er grote overeenkomst is tussen verdrogingstolerantie-mechanismen in zaden en in oprichtingsplanten. Ik vroeg me dus af of ze dezelfde genen gebruiken. Of iets anders gezegd: gebruiken oprichtingsplanten genen voor zaadverdrogingstolerantie in wortels en bladeren? Passen zij deze zaadgenen toe in wortels en bladeren van oprichtingsplanten?
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.
Ik beantwoordde die vraag na veel onderzoek door mijn groep en recente samenwerking met een club van Henk Hilhorst in Nederland, Mel Oliver in de VS en Julia Buitink in Frankrijk. Het antwoord is ja, er is een aantal groepen genen die bij beide betrokken zijn.
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.
Ik zal dit schetsen aan de hand van mais, waarbij de chromosomen onder de uit-knop alle genen vertegenwoordigen die nodig zijn voor verdrogingstolerantie. Dus als maiskorrels verdrogen aan het eind van hun ontwikkeling, zetten ze die genen aan. Oprichtingsplanten zetten dezelfde genen aan als ze verdrogen. Alle moderne gewassen hebben die genen in hun wortels en bladeren maar ze zetten ze gewoon niet aan. Ze zetten ze alleen aan in zaadweefsel.
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.
Nu proberen we de omgevings- en cel-signalen te begrijpen die deze genen aanzetten in oprichtingsplanten, om dat proces na te bootsen in gewas.
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.
Nog een gedachte tot besluit. Wij proberen op korte termijn te herhalen wat de natuur heeft gedaan in de evolutie van oprichtingsplanten, zo'n 10 tot 40 miljoen jaar geleden.
My plants and I thank you for your attention.
Mijn planten en ik danken je voor je aandacht.
(Applause)
(Applaus)