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.
Creio que o segredo para produzir culturas muito resistentes às secas, que têm que existir para garantir a segurança alimentar no mundo, reside nas plantas que ressuscitam, representadas aqui, num estado extremamente seco. Podem pensar que estas plantas estão mortas, mas não estão. Deem-lhes água e elas ressuscitarão, ficarão verdes, começarão a crescer ao fim de 12 a 48 horas.
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.
Porque é que eu sugiro que a produção de culturas resistentes às secas ajudarão a segurança alimentar? A atual população mundial situa-se à volta de sete mil milhões. Calcula-se que, por volta de 2050, seremos entre 9 a 10 mil milhões de pessoas. O grosso deste crescimento ocorrerá em África.
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.
As organizações alimentares e agrícolas mundiais têm sugerido que precisamos de 70% de aumento na prática atual da agricultura para satisfazer essa procura. Dado que essas plantas são a base da cadeia alimentar, a maior parte terá que ter origem nas plantas.
That percentage of 70 percent does not take into consideration the potential effects of climate change.
Mas esta percentagem de 70% não tem em consideração os efeitos possíveis da alteração climática.
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.
Isto é retirado de um estudo de Dai, publicado em 2011, em que ele teve em consideração todos os efeitos possíveis da alteração climática e traduziu-os — entre outras coisas — numa aridez acrescida devido à falta de chuvas ou a chuvas escassas. As áreas a vermelho que aqui se veem são áreas que, até há pouco tempo, eram utilizadas com êxito para a agricultura mas já deixaram de o ser por causa da falta de precipitação. Esta é a situação que se prevê venha a acontecer em 2050. Grande parte de África, ou melhor, grande parte do mundo vai ter problemas. Vamos ter que pensar em formas inteligentes de produzir alimentos. E, entre elas, de preferência culturas resistentes à seca.
The other thing to remember about Africa is that most of their agriculture is rainfed.
Outra coisa a não esquecer sobre a África é que a maior parte da sua agricultura depende da chuva.
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 bem, fazer culturas resistentes à seca não é uma coisa muito fácil. A razão para isso é a água. A água é essencial à vida neste planeta. Todos os organismos vivos, que metabolizam ativamente, desde os micróbios a todos nós, são formados predominantemente por água. Todas as reações da vida acontecem na água. A perda duma pequena quantidade de água traduz-se na morte. Nós somos formados por 65% de água — se perdermos 1%, morremos. Mas podemos fazer mudanças comportamentais para impedir isso. As plantas não podem. Estão presas ao solo. Portanto, para começar, elas têm um pouco mais água do que nós, têm cerca de 95% de água e podem perder um pouco mais do que nós, cerca de 10 a 70%, consoante as espécies, mas só durante pequenos períodos.
Most of them will either try to resist or avoid water loss. So extreme examples of resistors can be found in succulents. They tend to be small, very attractive, but they hold onto their water at such great cost that they grow extremely slowly. Examples of avoidance of water loss are found in trees and shrubs. They send down very deep roots, mine subterranean water supplies and just keep flushing it through them at all times, keeping themselves hydrated.
A maior parte delas vão tentar resistir ou impedir a perda de água. Encontramos exemplos extremos de resistência nas plantas suculentas. São habitualmente pequenas, muito atraentes, mas retêm a sua água com tanta dificuldade que crescem extremamente devagar. Encontramos exemplos de contenção de perda de água nas árvores e arbustos. Desenvolvem raízes muito profundas, procuram fontes de águas subterrâneas e mantêm-se ligadas a elas permanentemente. para se manterem hidratadas.
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.
Esta da direita chama-se baobá. Também lhe chamam a árvore de pernas para o ar, porque a proporção das raízes em relação aos rebentos é tão grande que parece que a árvore foi plantada ao contrário. Claro que as raízes são necessárias para a hidratação da planta.
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.
Provavelmente, é nas plantas anuais que encontramos a estratégia mais vulgar de contenção As plantas anuais formam o grosso das nossas plantas alimentares. Por toda a costa oeste do meu país, durante a maior parte do ano, não vemos grande crescimento de vegetação. Mas quando chegam as chuvas da primavera, assistimos a isto:
The strategy in annuals, is to grow only in the rainy season.
o deserto floresce. A estratégia das plantas anuais
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.
é crescer apenas na estação das chuvas. No final de cada estação, produzem uma semente, que é seca, com 8 a 10% de água, mas muito cheia de vida. Chamamos "resistente à seca" tudo o que é seco e mantém vida.
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.
No estado ressequido, as sementes mantêm-se em ambientes rigorosos durante prolongados períodos de tempo. Quando chega a estação chuvosa seguinte, germinam e crescem e todo o ciclo recomeça.
It's widely believed that the evolution of desiccation-tolerant seeds allowed the colonization and the radiation of flowering plants, or angiosperms, onto land.
Crê-se que a evolução das sementes resistentes à seca permitiu a colonização e a disseminação no terreno de plantas que dão flor — as angiospermas.
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.
Mas voltemos às plantas anuais enquanto principal forma de alimento. O trigo, o arroz e o milho formam 95% dos nossos alimentos à base de plantas. Tem sido uma boa estratégia porque, num curto espaço de tempo, podemos produzir muitas sementes. As sementes são ricas em energia, portanto há muitas calorias alimentares que podemos guardar em épocas de abundância para as épocas de fome. Mas há um inconveniente. Os tecidos vegetativos, as raízes e folhas das plantas anuais não têm muitas características inerentes de resistência, de contenção ou tolerância. A verdade é que não precisam disso. Crescem na estação das chuvas e têm uma semente que as ajuda a sobreviver no resto do ano.
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.
Por isso, apesar dos esforços concertados na agricultura para fomentar culturas com propriedades melhoradas, especialmente de resistência, contenção e tolerância — porque tivemos bons modelos para percebermos como funcionam — continuamos a ver imagens como esta. A cultura do milho em África, após duas semanas sem chuvas, está morta.
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.
Mas há uma solução: plantas que ressuscitam. Estas plantas podem perder 95% da sua água celular, mantendo-se num estado seco, como mortas, durante meses ou anos. Damos-lhes água e elas reverdecem e começam a crescer outra vez. Tal como as sementes, são resistentes à seca. Tal como as sementes, podem aguentar condições ambientais rigorosas. Isto é um fenómeno raro. Das plantas que dão flor só 135 conseguem fazer isso.
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.
Vou mostrar-vos um vídeo do processo de ressurreição destas três espécies, por esta ordem. Em baixo, há um eixo do tempo, portanto podem ver a rapidez com que acontece.
(Applause)
(Aplausos)
Pretty amazing, huh?
Espantoso, não é?
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.
Passei os últimos 21 anos a tentar perceber como é que fazem isto. Como é que estas plantas secam sem morrer? Trabalho com uma série de diferentes plantas que ressuscitam, que mostro aqui nos estados hidratados e desidratados por uma série de razões.
One of them is that each of these plants serves as a model for a crop that I'd like to make drought-tolerant.
Uma delas é que cada uma destas plantas serve de modelo para uma cultura que eu gostaria de tornar resistente à seca.
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.
Assim, no canto superior esquerdo, por exemplo, é uma erva. Chama-se Eragrostis nindensis, Tem uma parente próxima que se chama Eragrostis tef — provavelmente conhecem-na por "teff" — que é um alimento comum na Etiópia, isento de glúten. É uma coisa que gostaríamos de tornar resistente à seca.
The other reason for looking at a number of plants, is that, at least initially, I wanted to find out: do they do the same thing? Do they all use the same mechanisms to be able to lose all that water and not die?
A outra razão para procurar uma série de plantas é que, pelo menos de início, eu queria saber se todas faziam o mesmo. Será que usam os mesmos mecanismos para conseguirem perder toda a água sem morrerem?
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.
Dediquei-me ao que chamamos uma abordagem de biologia de sistemas a fim de obter uma compreensão abrangente da tolerância à seca, em que procuramos tudo, desde o nível molecular até ao nível ecofisiológico de toda a planta.
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.
Por exemplo, observamos coisas como as alterações na anatomia da planta à medida que ela vai secando e na sua ultraestrutura. Observamos o transcriptoma, que é um termo para uma tecnologia em que observamos os genes que estão ligados ou não, em reação à secagem. A maior parte dos genes codificam proteínas, portanto observamos o proteoma. De que são feitas as proteínas em reação à secagem? Algumas proteínas codificam enzimas que formam os metabólitos,
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.
portanto observamos o metaboloma. Isto é importante porque as plantas estão presas no solo. Usam uma coisa a que eu chamo um arsenal químico extremamente afinado para se protegerem de todas as agressões do seu ambiente. Por isso, é importante que observemos as alterações químicas envolvidas quando secam.
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.
No último estudo que fizemos, a nível molecular, observámos o lipidoma — as alterações dos lípidos em reação à secagem. Isto também é importante porque as membranas biológicas são feitas de lípidos. Funcionam como membranas porque estão dentro de água, tirem a água e essas membranas desaparecem. Os lípidos também atuam como sinais para ativar os genes.
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.
Depois usámos estudos fisiológicos e bioquímicos para tentar perceber a função dos possíveis protetores que acabámos por descobrir nos nossos estudos. Depois usámos tudo isso para tentar perceber como a planta interage com o seu ambiente natural.
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.
Sempre tive esta filosofia de que precisava duma compreensão abrangente dos mecanismos de tolerância à secagem para poder fazer uma sugestão com sentido para uma aplicação biótica.
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.
De certeza que estão a pensar: "Aplicação biótica? "Ela está a dizer que vai fazer culturas geneticamente modificadas?" A resposta a essa pergunta é: depende de qual é a vossa definição de modificação genética.
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.
Todas as culturas que comemos hoje — trigo, pastos e milho — são modificadas geneticamente em relação aos seus antepassados, mas não os consideramos OGMs porque estão a ser produzidas por reprodução convencional. Se pensam que vou colocar nas culturas genes de plantas de ressurreição, a resposta é: vou.
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.
Ao longo do tempo, tentámos essa abordagem. Mais propriamente, alguns dos meus colaboradores na UCT, Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen, foram pioneiros nessa abordagem e já vos mostro alguns dados.
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.
Mas estamos prestes a aventurar-nos numa abordagem extremamente ambiciosa, em que vamos tentar ativar séries inteiras de genes que já estão presentes em todas as culturas. Só que nunca estão ativos em condições de seca extrema. Agora, vocês que decidam se lhes devemos chamar OGMs ou não.
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.
Agora vou dar-vos alguns dos dados dessa primeira abordagem. Para isso, tenho que explicar um pouco como funcionam os genes.
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.
Provavelmente já sabem que os genes são feitos duma cadeia dupla de ADN que está enrolada apertadamente em cromossomas que estão presentes em toda as células do nosso corpo ou no corpo duma planta. Se desenrolarmos esse ADN, obtemos genes. Cada gene tem um promotor, que é um interruptor liga-desliga, a região de codificação do gene e depois um terminador, que indica que este é o final deste gene, onde se inicia o gene seguinte.
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.
Os promotores não são simples interruptores liga-desliga. Normalmente exigem uma grande afinação, a presença de muitas coisas, corretas, antes de o gene ser ativado. O que normalmente se faz em estudos biotécnicos é usar um promotor induzível. Sabemos como ligá-lo, acoplamo-lo aos genes que nos interessam e colocamo-lo numa planta para ver como a planta reage.
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.
No estudo de que vou falar os meus colaboradores usaram um promotor que induz uma secagem, que descobrimos numa planta que ressuscita. O que este promotor tem de bom é que nós não fazemos nada. A planta sente a seca. Usámo-lo para introduzir genes antioxidantes das plantas que ressuscitam. Porquê genes antioxidantes? Todas as agressões, em especial as agressões da seca, resultam na formação de radicais livres, ou de espécies de oxigénio reativo, que são profundamente prejudiciais e podem provocar a morte da cultura. Os antioxidantes impedem esses danos.
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.
Estes são alguns dados duma variedade de milho que é de uso muito vulgar em África. À esquerda da seta estão plantas sem os genes. À direita, plantas com os genes antioxidantes. Ao fim de três semanas sem serem regadas, as que têm genes portam-se muito melhor.
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?
Agora a abordagem final. A minha investigação mostrou que há uma semelhança significativa nos mecanismos de tolerância à secagem em sementes e em plantas que ressuscitam. Portanto, pergunto: Estarão a usar os mesmos genes? Ou, dito de outra maneira, as plantas que ressuscitam estarão a usar genes que evoluíram na tolerância à secagem nas sementes nas raízes e nas folhas? Terão reformulado a função desses genes das sementes
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.
nas raízes e folhas das plantas que ressuscitam? E respondo a esta pergunta. Em resultado de muita investigação do meu grupo e de colaborações recentes com um grupo de Henk Hilhorst na Holanda, de Mel Oliver, nos EUA e de Julia Buitink, em França, a resposta é: sim. Há um conjunto básico de genes que estão envolvidos nas duas coisas.
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.
Vou ilustrar isso muito cruamente, em relação ao milho, em que os cromossomas, abaixo do interruptor de desativação representam todos os genes necessários para a tolerância à secagem. Assim, quando as sementes do milho secam no fim do seu período de desenvolvimento, elas ativam esses genes. As plantas que ressuscitam ativam os mesmos genes, quando secam. Portanto, todas as culturas modernas têm esses genes nas raízes e nas folhas, mas nunca os ativam. Só os ativam nos tecidos das sementes.
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.
Neste momento, estamos a tentar compreender os sinais ambientais e celulares que ativam esses genes nas plantas que ressuscitam, para reproduzir o processo nas culturas.
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.
Agora um pensamento final. O que estamos a tentar fazer, muito rapidamente, é repetir o que a natureza fez na evolução das plantas que ressuscitam há uns 10 a 40 milhões de anos.
My plants and I thank you for your attention.
As minhas plantas e eu agradecemos a vossa atenção.
(Applause)
(Aplausos)