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.
Uważam, że sekret upraw, mogących przetrwać skrajną suszę i zwiększyć bezpieczeństwo żywnościowe na świecie, tkwi w roślinach rezurekcyjnych, pokazanych tutaj w bardzo wysuszonym stanie. Na pierwszy rzut oka wyglądają na martwe, lecz tak nie jest. Podlejcie je, a odżyją i zaczną rosnąć w ciągu 12-48 godzin.
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.
Dlaczego uważam, że uprawa roślin odpornych na suszę zwiększy bezpieczeństwo żywnościowe? Obecnie na Ziemi żyje około 7 miliardów ludzi. Szacuje się, że do 2050 roku będzie nas 9-10 miliardów, z czego największy wzrost nastąpi w Afryce.
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.
Światowe organizacje do spraw rolnictwa i żywności sugerują, że potrzebny jest 70-procentowy wzrost obecnych upraw, by zaspokoić to zapotrzebowanie. Ponieważ rośliny są podstawą łańcucha pokarmowego, większość tego wzrostu musi pochodzić z roślin.
That percentage of 70 percent does not take into consideration the potential effects of climate change.
Ten model nie brał jednak pod uwagę potencjalnych efektów zmian klimatycznych.
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.
To mapa z badań Dai przeprowadzonych 2011 roku. Uwzględniono w nich wszystkie potencjalne efekty zmian klimatu, w tym między innymi zwiększoną suchość spowodowaną brakiem lub rzadkim występowaniem deszczu. Czerwone obszary to obszary rolne, dotychczas bardzo wydajne, które nie nadają się już pod uprawę ze względu na brak opadów. Takie są przewidywania na rok 2050. Większość Afryki, właściwie większość świata, będzie mieć kłopot. Trzeba będzie wymyślić sprytne sposoby produkcji żywności. Między innymi zboża mogące przetrwać susze.
The other thing to remember about Africa is that most of their agriculture is rainfed.
Należy też pamiętać, że większość rolnictwa w Afryce uzależniona jest od opadów.
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.
Produkcja zbóż mogących przetrwać suszę nie jest najprostsza. Powodem jest woda. Woda jest niezbędna do życia na tej planecie. Wszystkie żyjące, metabolizujące organizmy, od mikrobów po nas samych, składają się głównie z wody. Wszystkie reakcje życiowe zachodzą w wodzie. Utrata nawet niewielkiej ilości wody kończy się śmiercią. Ludzie składają się w 65% z wody. Utrata jednego procenta oznacza śmierć. By temu zapobiec, możemy zmienić zachowanie. Rośliny nie mogą. Tkwią w ziemi. Mają trochę więcej wody niż my, około 95 procent, i mogą jej trochę więcej stracić, w zależności od gatunku od 10 do 70 procent, ale tylko na krótko.
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.
Większość będzie się opierać lub unikać strat wody. Ekstremalny przykład to sukulenty. Są zazwyczaj małe, bardzo atrakcyjne. Zatrzymują wodę za wszelką cenę, przez co wolno rosną. Podobne przykłady obserwujemy u drzew i krzewów. Zapuszczają korzenie bardzo głęboko, aby korzystać z podziemnych zapasów wody i "opłukują się" nią cały czas, by się dobrze nawodnić.
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.
Drzewo po prawej to baobab. Nazywane drzewem rosnącym do góry nogami, bo dysproporcja rozmiaru korzeni i pędów jest tak duża, że wygląda, jakby drzewo zasadzono odwrotnie. Oczywiście korzenie są niezbędne do nawodnienia rośliny.
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.
Najbardziej powszechną strategię mają roślin jednoroczne. Jednoroczne stanowią większość naszego pożywienia roślinnego. Na zachodnim wybrzeżu mojego kraju przez większą część roku nie widać roślinności. Ale gdy nadchodzą wiosenne deszcze, pustynia rozkwita.
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.
Strategią roślin jednorocznych jest wzrost tylko w porze deszczowej. Pod jej koniec produkują nasiona, suche, tylko 8 -10% zawartości wody, ale bardzo żywe. Wszystko, co jest tak suche i nadal żywe, nazywamy suszoodpornym.
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.
W stanie wysuszenia nasiona mogą leżeć w skrajnych warunkach przez dłuższy czas. Z nastaniem kolejnej pory deszczowej kiełkują i rosną i cały cykl zaczyna się od nowa.
It's widely believed that the evolution of desiccation-tolerant seeds allowed the colonization and the radiation of flowering plants, or angiosperms, onto land.
Uważa się, że ewolucja nasion suszoodpornych pozwoliła na kolonizację i rozprzestrzenienie się roślin kwitnących czy okrytozalążkowych.
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.
Wróćmy do jednorocznych, głównego składnika naszej diety. Pszenica, ryż i kukurydza to 95% naszego pożywienia roślinnego. Do niedawna była to świetna strategia, bo w krótkim czasie można wyprodukować dużo nasion. Nasiona są bogate w energię, więc pożywienie jest kaloryczne, świetne do magazynowania na czas głodu. Ale ma to też wady. Tkanki roślinne, korzenie i liście roślin jednorocznych nie mają za wiele wrodzonej wytrzymałości i odporności. Po prostu tego nie potrzebują. Rosną w porze deszczowej, a ich nasiona umieją przetrwać resztę roku.
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.
Pomimo wspólnych wysiłków rolników, by stworzyć rośliny o większej wytrwałości i odporności, zwłaszcza takich, bo mamy wiele przykładów ich działania, nadal dostajemy fotografie jak ta. Uprawa kukurydzy w Afryce, dwa tygodnie bez deszczu i jest martwa.
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.
Jest na to rada. Rośliny rezurekcyjne. Rośliny te mogą stracić 95% wody wewnątrzkomórkowej, pozostawać w suchym, obumarłym stanie przez miesiące a nawet lata, a gdy dostaną wodę, zaczynają rosnąć na nowo. Podobnie jak nasiona, są odporne na wysuszenie. Jak nasiona, mogą wytrzymać ekstremalne warunki. To bardzo rzadki fenomen. Tylko 135 kwitnących gatunków roślin może to zrobić.
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.
Pokażę wam wideo o procesie rezurekcji tych trzech gatunków, kolejno. Na dole jest oś czasu, więc widać szybkość wydarzeń.
(Applause)
(Brawa)
Pretty amazing, huh?
Niezwykłe, prawda?
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.
Od 21 lat próbuję zrozumieć, jak one to robią. Jak wysychają, ale nie umierają? Pracowałam z różnymi odmianami roślin rezurekcyjnych, pokazanych tu w nawodnionym i wyschniętym stanie, z wielu powodów.
One of them is that each of these plants serves as a model for a crop that I'd like to make drought-tolerant.
Każda z tych roślin służy jako model dla rośliny, której chciałabym dać suszoodporność.
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.
W górnym lewym rogu mamy na przykład trawę, nazywa się eragrostis nindensis, blisko spokrewniona z miłką abisyńską, może znacie ją jako "tef". Jest podstawą wyżywienia w Etiopii. Nie zawiera glutenu. Chcielibyśmy, żeby była suszoodporna.
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?
Kolejnym powodem do badania większej liczby roślin jest chęć sprawdzenia, czy wszystkie zachowują się tak samo. Czy wszystkie używają tych samych mechanizmów, które pozwalają tracić wodę i żyć. Przyjęłam podejście systemowe,
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.
aby całościowo zrozumieć fenomen odporności na suszę. Obserwujemy wszystko, od cząsteczek po poziom ekofizjologiczny całej rośliny.
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.
Patrzymy na zmiany zachodzące w anatomii roślin podczas wysychania, na ich ultrastruktrę. Patrzymy na transkryptom. To technika obserwacji genów, które włączają się i wyłączają w odpowiedzi na suszę. Większość genów koduje białka, więc protenom pokazuje, które białka powstały w procesie wysuszania. Niektóre białka stworzą enzymy metaboliczne, patrzymy zatem również na metabolom.
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.
To ważne, bo rośliny tkwią w ziemi i mają bardzo wyczulony arsenał chemiczny do ochrony przed wszelkimi zagrożeniami z zewnątrz. Trzeba więc zaobserwować zmiany chemiczne zachodzące przy wysuszaniu.
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.
Ostatnim etapem jest badanie na poziomie molekularnym. Patrzymy na lipidom, zmiany lipidowe zachodzące podczas wysychania. To również ważne, bo wszystkie błony zbudowane są z lipidów. Nie rozpadają się dzięki wodzie. Zabieramy wodę, membrana się rozpadnie. To lipidy wysyłają sygnał włączania genów.
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.
Prowadzimy też badania fizjologiczne i biochemiczne, by zrozumieć funkcję domniemanych mechanizmów ochronnych, odkrytych w innych badaniach. Wszystko razem wykorzystujemy, by zrozumieć, jak roślina reaguje na środowisko naturalne.
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.
Zawsze staram się podchodzić całościowo do poznawania zjawiska odporności na wysychanie, żeby móc zaproponować wartościowe zastosowanie biotechnologiczne.
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.
Wielu z was teraz myśli, że biotechnologiczna aplikacja oznacza zboża modyfikowane genetycznie. Zależy jaką definicję GMO przyjąć.
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.
Wszystkie spożywane dzisiaj zboża, pszenica, ryż, kukurydza, są wysoce zmodyfikowane genetycznie w porównaniu ze swoimi przodkami. Nie uważamy ich jednak za GMO, ponieważ pochodzą z upraw konwencjonalnych. Jeśli myślicie, że chcę umieścić geny rezurekcyjne w uprawach zbóż odpowiedź brzmi: tak.
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.
Ponieważ czas nagli, już tego spróbowaliśmy. A dokładniej, moi współpracownicy z UCT, Jennifer Thomson i Suhail Rafudeen, byli tu pionierami. Wkrótce przedstawię wam dane.
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.
Niebawem mamy zamiar zrealizować bardzo ambitny plan. Zamierzamy włączyć cały pakiet genów, już obecnych w zbożach, a które nie aktywowały się jeszcze w warunkach ekstremalnej suszy. Opinię, czy nazywać to GMO czy nie, pozostawiam wam.
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.
Przedstawię teraz dane z pierwszych badań. Dla ułatwienia opowiem krótko, jak działają geny.
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.
Zapewne wszyscy wiedzą, że geny składają się z ciasno skręconej podwójnej helisy, tworzącej chromosomy, które znajdują się w komórkach każdego ciała, również u roślin. Gdy rozwinąć helisę, otrzymujemy geny. Każdy gen posiada promotor, genetyczny włącznik, region kodujący, oraz terminator, który określa, gdzie jeden gen się kończy, a drugi zaczyna.
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.
Promotor to nie taki zwykły włącznik, zazwyczaj wymaga precyzyjnego strojenia i spełnienia mnóstwa warunków, żeby nastąpiło włączenie genu. Zazwyczaj w trakcie badań biotechnologicznych używa się promotora indukcyjnego, wiemy, jak go włączyć. Łączymy go z interesującymi nas genami i instalujemy w roślinie, czekając, jak zareaguje.
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.
W badaniu, o którym mowa, moi współpracownicy użyli promotora aktywowanego podczas suszy, odkrytego w roślinie rezurekcyjnej. Co wygodne, ten promotor nie wymaga naszej ingerencji, roślina sama wykrywa suszę. Tak wprowadziliśmy do roślin geny przeciwutleniaczy z roślin rezurekcyjnych. Dlaczego właśnie te? Ponieważ wszystkie czynniki szkodliwe, w szczególności susza, powodują powstawanie wolnych rodników, reaktywnych form tlenu, które są bardzo szkodliwe, mogą powodować obumieranie. Przeciwutleniacze zatrzymują te procesy.
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.
Oto wyniki badań gatunku kukurydzy popularnego w Afryce. Z lewej mamy rośliny bez aktywowanych genów, z prawej z aktywowanymi genami. Po trzech tygodniach bez podlewania te z aktywowanymi genami są w dużo lepszym stanie.
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?
Idźmy dalej. Moje badania wskazują na znaczące podobieństwo między szuszoodpornymi nasionami a roślinami rezurekcyjnymi. Powstaje zatem pytanie: czy używają tych samych genów? Lub, ujmując to trochę inaczej: czy rośliny rezurekcyjne używają genów rozwiniętych dla suszoodpornych nasion w korzeniach i liściach? Czy geny nasion posłużyły do modyfikacji korzeni i liści roślin rezurekcyjnych?
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.
Odpowiedź na to pytanie, zgodnie z wynikiem badań mojego zespołu i ostatniej współpracy z zespołem Henka Hilhorsta z Holandii, Mela Olivera z USA i Julii Buitink z Francji, brzmi: tak. Jest cały pakiet genów biorących udział w obu procesach.
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.
Przedstawię to pobieżnie na przykładzie kukurydzy, gdzie chromosom poniżej wyłącznika reprezentuje wszystkie geny odpowiadające za odporność na suszę. Kiedy nasiona kukurydzy wysychały pod koniec okresu wzrostu, uruchomiły te geny. Rośliny rezurekcyjne uruchamiają te same geny w czasie suszy. Wszystkie współczesne zboża mają te geny w korzeniach i liściach, ale nigdy ich nie włączają. Włączają je tylko w tkankach nasion.
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.
Właśnie staramy się zrozumieć środowiskowe i komórkowe sygnały, które uruchamiają te geny u roślin rezurekcyjnych, żeby odwzorować ten proces w zbożach.
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.
I ostatnia myśl. Próbujemy szybko powtórzyć to, czego w procesie ewolucji roślin rezurekcyjnych natura dokonała jakieś 10 do 40 milionów lat.
My plants and I thank you for your attention.
Wspólnie z roślinami dziękujemy za uwagę.
(Applause)
(Brawa)