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 extremamente resistentes à seca, que contribuirão de alguma forma para a segurança alimentar no mundo, reside nas plantas de ressurreição, mostradas aqui num estado extremamente seco. Vocês podem até achar que essas plantas estão mortas, mas não estão. Basta lhes dar água, e elas ressuscitam, ficam viçosas e começam a crescer em 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.
Mas por que estou sugerindo que produzir culturas resistentes à seca vai nos proporcionar segurança alimentar? Bem, a população atual do mundo é de cerca de 7 bilhões de habitantes. E estima-se que, por volta de 2050, seremos de 9 a 10 bilhões de pessoas, com grande parte desse crescimento acontecendo na 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 mundiais para alimentação e agricultura sugerem que precisamos de um aumento de 70% nas práticas agrícolas atuais para atender a essa demanda. Uma vez que as plantas são a base da cadeia alimentar, a maior parte disso terá de vir das plantas.
That percentage of 70 percent does not take into consideration the potential effects of climate change.
Esse índice de 70% não considera os potenciais efeitos da mudança 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.
Isso foi tirado de um estudo feito por [Aiguo] Dai, publicado em 2011, em que ele levou em consideração todos os potenciais efeitos da mudança climática e os expressou, entre outras coisas, num aumento da aridez pela falta ou escassez de chuva. As áreas vermelhas mostradas aqui são áreas que até recentemente têm sido usadas com sucesso pela agricultura, mas não podem mais, pela falta de chuva. Esta é a situação prevista para acontecer em 2050. Grande parte da África, na verdade, do mundo, vai estar em apuros. Vamos ter de pensar em alternativas bem inteligentes de produzir comida. E, de preferência, entre elas, as culturas resistentes à seca.
The other thing to remember about Africa is that most of their agriculture is rainfed.
Outro dado importante sobre a África é que a maior parte de 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.
Produzir culturas resistentes à seca não é a coisa mais fácil do mundo, e a razão para isso é a água. A água é essencial para a vida neste planeta. Todos os seres vivos, que têm um metabolismo ativo, desde os micróbios até vocês e eu, são compostos predominantemente pela água. Todas as reações biológicas acontecem na água. E a perda de uma pequena quantidade de água resulta na morte. Vocês e eu somos 65% de água e, se perdemos 1% disso, morremos. Mas podemos fazer mudanças comportamentais para evitar isso. As plantas não. Elas estão presas ao solo. Assim, em princípio, elas têm um pouco mais de água do que nós, cerca de 95% de água, e elas podem perder um pouco mais do que nós, cerca de 10 a 70%, dependendo da espécie, mas apenas por curtos períodos de tempo.
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 maioria delas vai tentar resistir ou evitar a perda de água. Assim, um caso extremo de resistência são as suculentas. Elas costumam ser pequenas, muito atraentes, mas retêm sua água ao alto custo de crescer extremamente devagar. Exemplos de escape são encontrados em árvores e arbustos. Eles aprofundam suas raízes, garimpam suprimentos subterrâneos de água e os bombeiam para si constantemente, para se manterem hidratados. A árvore da direita é o baobá.
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.
Também chamada de "árvore de cabeça para baixo", simplesmente porque a proporção das raízes para os galhos é tão grande que parece que a árvore foi plantada de cabeça para baixo. Obviamente 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, a estratégia mais comum de escape seja a das plantas anuais. As plantas anuais formam a maior parte do nosso suprimento alimentar. Na costa oeste do meu país, na maior parte do ano, não vemos muito crescimento da vegetação. Mas, com a chegada das chuvas de primavera, temos isto: o florescimento do deserto.
The strategy in annuals, is to grow only in the rainy season. At the end of that season they produce a seed, which is dry, eight to 10 percent water, but very much alive. And anything that is that dry and still alive, we call desiccation-tolerant.
A estratégia das plantas anuais é crescer somente na estação chuvosa. No final da estação, elas produzem uma semente, que é seca, com 8 a 10% de água, mas cheia de vida. E qualquer coisa seca, mas ainda viva, chamamos de tolerante à dessecação.
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 dessecado, as sementes ficam dormentes em ambientes hostis por longos períodos de tempo. Quando vem a época das chuvas, elas germinam e crescem, e o ciclo todo 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.
Acredita-se que a evolução das sementes tolerantes à dessecação permitiram a colonização e a propagação de plantas com flores, ou angiospermas, na terra.
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 de volta às plantas anuais como nossa maior fonte de alimentos, trigo, arroz e milho formam 95% das nossas fontes vegetais de alimento. E tem sido uma excelente estratégia, pois, num curto espaço de tempo, podemos produzir muitas sementes. Sementes são ricas em energia, assim, há muitas fontes de calorias, podemos estocá-las em tempos de fartura para tempos de fome, mas há um lado negativo. Os tecidos vegetativos, as raízes e folhas das anuais, não têm muitos recursos inerentes de resistência, escape e tolerância. Simplesmente não precisam deles. Elas crescem na estação chuvosa e têm uma semente para ajudá-las 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.
E, assim, apesar dos esforços conjuntos na agricultura para produzir culturas com propriedades melhoradas de resistência, escape e tolerância, particularmente resistência e escape, pois tivemos bons modelos para entender como elas funcionam, ainda vemos imagens assim: cultura de milho na África, duas semanas sem chuva, e a cultura morre.
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.
Existe uma solução: plantas de ressurreição. Essas plantas podem perder 95% de suas células de água, permanecer num estado de seca e morte por meses ou anos e, se lhes dermos água, elas vicejam e começam a crescer novamente. Como as sementes, elas são tolerantes à dessecação. Como as sementes, elas podem suportar condições ambientais hostis. E isso é um fenômeno realmente raro. Existem apenas 135 espécies de plantas floríferas que 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.
Eis um vídeo do processo de ressurreição daquelas três espécies naquela ordem. Embaixo, há um eixo temporal, para verem a rapidez com que isso acontece.
(Applause)
(Aplausos)
Pretty amazing, huh?
Impressionante, 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.
Assim, gastei pelo menos 21 anos tentando entender como elas fazem isso. Como essas plantam secam sem morrer? E trabalhei com diversos tipos de plantas de ressurreição, aqui mostradas em estados hidratados e desidratados, por diversas 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 dessas plantas serve como um modelo para uma cultura que gostaria de tornar tolerante 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 alto, à esquerda, por exemplo, tem um capim, chamado "Eragrostis nindensis", que tem uma parente próxima chamada "Eragrostis tef", provavelmente conhecida por "teff", que é um alimento comum na Etiópia, sem glúten. É algo que gostaríamos de tornar resistente à seca. A outra razão para examinar uma série de plantas
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?
é que, pelo menos de início, eu queria saber se todas faziam o mesmo. Todas usam os mesmos mecanismos para serem capazes de perder essa água toda e não morrer? Então, eu me dediquei à abordagem chamada biologia sistêmica
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.
para conseguir um entendimento amplo da tolerância à dessecação, na qual estudamos todos os níveis, do molecular até a planta toda, o nível ecofisiológico.
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, mudanças na autonomia da planta enquanto elas secam e sua ultraestrutura. Estudamos o transcritoma, que é apenas um termo para uma tecnologia na qual investigamos os genes que ligam ou desligam em resposta à secagem. Como a maioria dos genes codificam proteínas, estudamos o proteoma. Quais são as proteínas produzidas em resposta à secagem? Algumas proteínas codificam enzimas produtoras de metabólitos, então, estudamos o metaboloma.
Now, this is important because plants are stuck in the ground. They use what I call a highly tuned chemical arsenal to protect themselves from all the stresses of their environment. So it's important that we look at the chemical changes involved in drying.
Isso é importante, pois as plantas estão presas ao solo. Elas usam o que chamo de arsenal químico altamente sintonizado para se proteger de todos os estresses de seu ambiente. Então é importante estudarmos as mudanças químicas envolvidas na secagem.
And at the last study that we do at the molecular level, we look at the lipidome -- the lipid changes in response to drying. And that's also important because all biological membranes are made of lipids. They're held as membranes because they're in water. Take away the water, those membranes fall apart. Lipids also act as signals to turn on genes.
E, no último estudo que fazemos no nível molecular, ou seja, o lipidoma, o lipídeo muda em resposta à secagem. E isso também é importante, pois todas as membranas biológicas são feitas de lipídios. Funcionam como membranas por estarem dentro da água. Se tirarmos a água, as membranas desaparecem. Os lipídios também atuam como sinais para ligar 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.
Então, usamos estudos fisiológicos e bioquímicos para tentar perceber a função dos possíveis protetores que descobrimos em nossos outros estudos. Daí, usamos tudo isso para tentar entender como a planta interage com esse 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 a filosofia de que precisava de um amplo entendimento dos mecanismos da tolerância à dessecação para fazer uma sugestão significativa 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.
Tenho certeza de que alguns estão pensando: "Por aplicação biótica, ela quer dizer que vai produzir culturas geneticamente modificadas?" E a resposta para esta pergunta é: depende da sua 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, arroz e milho, são altamente geneticamente modificadas em relação a suas antepassadas, mas não são consideradas GMs, pois estão sendo produzidas de forma convencional. Se querem saber se vou colocar genes de planta de ressurreição nas culturas, a resposta é sim.
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, tentamos essa abordagem. Mais precisamente, alguns de meus colaboradores da UCT, Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen, foram pioneiros nessa abordagem, cujos dados vou mostrar daqui a pouco.
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 a ponto de embarcar numa abordagem extremamente ambiciosa, na qual pretendemos ativar uma série completa de genes já presentes em todas as culturas. Eles apenas não são ativados sob condições de seca extrema. Vou deixar que vocês decidam se eles deveriam ser chamados de GM 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, simplesmente vou lhes dar alguns dados dessa primeira abordagem. E, para fazer isso, tenho de explicar um pouco como os genes funcionam.
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 vocês sabem que os genes são feitos de uma cadeia dupla de DNA. É enrolado bem apertado nos cromossomos que estão presentes em todas as células do nosso corpo ou das plantas. Se desenrolarmos esse DNA, temos os genes. E cada gene tem um promotor, que é um botão liga-desliga, a região codificadora do gene, e um terminador, que indica o fim daquele gene e o início do próximo.
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.
Mas promotores não são simples botões liga-desliga. Eles normalmente demandam muita sintonia fina, muitas coisas que devem estar presentes e corretas antes de o gene ser ativado. Assim, o que acontece geralmente em estudos biotécnicos é que usamos um promotor induzível, sabemos como ligá-lo. Acoplamos isso aos genes de interesse, colocamos isso numa planta e observamos como ela 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 sobre o qual vou falar, meus colaboradores usaram um promotor indutor de secagem, que descobrimos numa planta de ressurreição. O bom desse promotor é que não precisamos fazer nada. A própria planta sente a seca. E usamos isso para introduzir genes antioxidantes de plantas de ressurreição. Por que genes antioxidantes? Bem, todos os estresses, particularmente o estresse da seca, resultam na formação de radicais livres, ou espécies de oxigênio reativo, que são altamente danosos e podem causar a morte da cultura. Os antioxidantes detêm o dano.
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.
Eis alguns dados de uma variedade de milho bem popular na África. À esquerda da flecha, estão plantas sem os genes, à direita, plantas com os genes antioxidantes. Depois de três semanas sem irrigação, aquelas com os genes se saem 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?
Vamos agora à abordagem final. Minha pesquisa mostrou uma semelhança considerável entre os mecanismos de tolerância à dessecação em sementes e plantas de ressurreição. Aí, eu pergunto: elas estão usando os mesmos genes? Ou, dito de uma outra forma, as plantas de ressurreição estão usando em suas raízes e folhas genes da tolerância à dessecação que evoluíram das sementes? Será que nas plantas de ressurreição a função dos genes da semente foi transferida para suas raízes e folhas?
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.
E respondo a essa pergunta, como resultado de muita pesquisa do meu grupo e recentes colaborações do grupo de Henk Hilhorst, na Holanda, Mel Oliver, nos Estados Unidos, e Julia Buitink, na França. A resposta é sim, existe um grupo básico de genes envolvidos em ambos.
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 dar um exemplo bem básico disso com o milho, em que os cromossomos abaixo do botão de desligar representam todos os genes necessários para a tolerância à dessecação. À medida que as sementes do milho secam, no fim de seu período de desenvolvimento, elas ativam esses genes. As plantas de ressurreição ativam os mesmos genes quando secam. Portanto, todas as culturas modernas têm esses genes em suas raízes e folhas, mas elas simplesmente não os ativam. Elas somente os ativam no tecido 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.
Por isso, agora estamos tentando entender os sinais ambientais e celulares que ativam esses genes nas plantas de ressurreição, para repetir 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.
E um pensamento final. O que estamos tentando fazer de forma bem rápida é repetir o que a natureza fez na evolução das plantas de ressurreição cerca de 10 a 40 milhões de anos atrás.
My plants and I thank you for your attention.
Minhas plantas e eu agradecemos a atenção!
(Applause)
(Aplausos)