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.
Cred că secretul producerii culturilor rezistente la seceta extremă, care ar putea să confere siguranţă alimentară lumii, stă în plantele care învie, prezentate aici, într-o stare extrem de uscată. Aţi crede că aceste plante par moarte, dar nu sunt. Daţi-le apă, şi vor învia, vor înverzi, vor începe să crească în 12 - 48 de ore.
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.
De ce aş sugera că producerea plantelor rezistente la secetă va genera securitate alimentară? Populaţia actuală a Pământului e de aproape 7 miliarde. Se estimează că până în 2050, vom fi între 9 şi 10 miliarde de oameni, majoritatea acestei creşteri producându-se în Africa.
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.
Organizaţia pentru Alimentaţie şi Agricultură a estimat că avem nevoie de o creştere de 70% a producţiei agricole actuale ca să acoperim cererea. Plantele fiind la baza lanțului alimentar, cea mai mare parte vine de la ele.
That percentage of 70 percent does not take into consideration the potential effects of climate change.
Procentul de 70% nu ține cont de eventualele schimbări climatice.
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.
E un extras dintr-un studiu DAI din 2011, care a luat în considerare toate efectele posibile ale schimbărilor climatice și le exprimă, printre altele ca: ariditate crescută cauzată de lipsa ploilor sau de ploile rare. Zonele roșii de aici sunt zone care până de curând au fost cultivate cu succes, dar nu mai pot fi, din cauza lipsei precipitațiilor. Aceasta e situația preconizată pentru 2050. Mare parte a Africii, de fapt mare parte a lumii, va avea probleme. Va trebui să gândim procedee foarte inteligente prin care să producem hrana şi ar fi bine ca între ele să fie câteva culturi rezistente la secetă.
The other thing to remember about Africa is that most of their agriculture is rainfed.
Celălalt lucru de amintit despre Africa e că majoritatea culturilor lor depind de apa de ploaie.
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.
Să faci culturi rezistente la secetă nu e cel mai uşor lucru din lume. Motivul e apa. Apa e esenţială vieţii pe această planetă. Toate organismele vii cu metabolism activ, de la microbi la voi şi la mine, sunt compuse predominant din apă. Toate reacţiile vieţii se produc în apă. Pierderea unei mici cantităţi de apă, duce la moarte. Noi avem 65 % apa; pierdem 1% din asta, murim. Dar ne putem adapta comportamental ca să evităm asta. Plantele nu pot. Ele sunt fixate în pământ. La început au mai multă apă decât noi, – cam 95% apă – şi pot pierde ceva mai mult decât noi, – între 10 şi 70%, funcţie de specie – dar numai pentru scurt timp.
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.
Majoritatea vor încerca să reziste sau să evite pierderea apei. Exemple extreme de plante rezistente sunt cele suculente. Tind să fie mici, foarte atractive, dar menţin apa cu efortuti atât de mari încât cresc extrem de greu. Exemple de evitare a pierderii apei se găsesc la copaci şi arbuşti. Îşi înfig foarte adânc rădăcinile, extrag apă din rezervele subterane şi o circulă prin ele continuu, menţinându-se hidratate.
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.
Cea din dreapta e un baobab, numit și copacul răsturnat, pentru că raportul dintre rădăcini şi ramuri e atât de mare încât copacul pare plantat cu susul în jos. Desigur rădăcinile sunt necesare pentru hidratarea plantei.
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.
Poate cea mai comună strategie de evitare o găsim la plantele anuale. Majoritatea hranei noastre vegetale e formată din plante anuale. Pe coasta de vest a ţării mele, în majoritatea anului nu prea creşte vegetaţia dar când vin ploile de primăvară, avem: înflorirea deşertului.
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.
Strategia în cazul anualelor e să se dezvolte în sezonul ploios. La sfârşitul acelui sezon, ele produc sămânţa, care e uscată, 8 - 10% apă, dar foarte vie. Orice e atât de uscat, dar încă viu, spunem că e rezistent la desicare.
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.
În stare desicată seminţele rezistă în condiţii extreme perioade lungi. La următorul sezon ploios, ele germinează şi cresc, şi întregul ciclu începe din nou.
It's widely believed that the evolution of desiccation-tolerant seeds allowed the colonization and the radiation of flowering plants, or angiosperms, onto land.
Mulţi cred că evoluţia seminţelor rezistente la desicare a făcut posibilă colonizarea şi răspândirea plantelor care înfloresc – a angiospermelor – pe uscat.
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.
Înapoi la anuale, principala noastră formă de rezervă de hrană. Grâul, orezul şi porumbul formează 95% din hrana noatră vegetală. O strategie grozavă pentru că poţi produce multe seminţe în timp scurt. Seminţele sunt bogate în energie, multe calorii alimentare pot fi stocate în vremuri de belşug pentru perioadele de foamete, dar au şi un dezavantaj: țesutul vegetativ, rădăcinile şi frunzele anualelor, nu au rezistență ereditară sau adaptare la evitarea sau tolerarea secetei. Pur şi simplu nu au nevoie. Se dezvoltă în sezonul ploios şi au seminţe care le ajută să supravieţuiască restul anului.
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.
Astfel, în ciuda eforturilor concertate în agricultură, ca să se realizeze culturi cu proprietăţi îmbunătăţite privind rezistenţa, evitarea şi toleranţa- mai ales rezistenţa şi evitarea, pentru că am avut modele bune ca să le înţelegem - încă vedem imagini ca aceasta: Cultură de porumb în Africa, două săptămâni fără apă şi e moartă.
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.
Există o soluţie: plante care învie. Aceste plante pot să piardă 95% din apa celulară, să rămână într-un mediu uscat, ca şi moarte, luni, până la ani şi dă-le apă: înverzesc şi încep să crească din nou. Ca şi seminţele, acestea sunt rezistente la uscare. Ca şi seminţele, pot rezista condiţiilor de mediu extreme. Acesta e un fenomen foarte rar. Sunt numai 135 de specii de angiosperme ce pot face asta.
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.
Vă voi arăta o filmare a procesului de înviere a acestor trei specii, în această ordine. În partea de jos, e axa timpului, ca să vedeţi cât de repede se întâmplă.
(Applause)
(Aplauze)
Pretty amazing, huh?
Uimitor, nu?
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.
Mi-am petrecut ultimii 21 de ani încercând să înţeleg cum fac ele asta. Cum se usucă aceste plante fără să moară? Am lucrat cu diverse plante care învie, prezentate aici în stare uscată, din mai multe motive.
One of them is that each of these plants serves as a model for a crop that I'd like to make drought-tolerant.
Unul din ele e că fiecare din aceste plante serveşte ca model pentru o alta pe care o vreau rezistentă la secetă.
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.
În stânga sus, de exemplu, e o iarbă, se numeşte Eragrostis nindensis, are o rudă apropiată numită Eragrostis tef - mulţi s-ar putea să o ştiţi ca "teff"- e hrană de bază în Etiopia, nu conţine gluten, şi am dori să o facem rezistentă la secetă.
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?
Celălalt motiv pentru cercetarea unor plante, e că, cel puţin iniţial, am vrut să aflu: fac ele acelaşi lucru? Folosesc toate aceleaşi mecanisme ca să poată pierde atâta apă fără să moară?
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.
Aşa că am încercat o abordare numită biologie sistemică pentru a înţelege în detaliu toleranţa la desicare, în care cercetăm tot de la nivel molecular la întrega plantă, ecofiziologic.
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.
De exemplu urmărim schimbările din anatomia plantei în timpul uscării şi ultrastructura lor. Cercetăm transcriptomul, – o tehnologie prin care studiem dacă genele sunt activate sau nu, ca urmare a uscării. Majoritatea genelor codează proteine aşa că cercetăm proteomul. Ce proteine se produc ca răspuns la uscare? Unele proteine proteine vor coda enzime care fac metaboliţi, aşa că cercetăm metabolomul.
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.
E important, pentru că plantele sunt fixate în pământ. Ele folosesc un arsenal chimic foarte specializat pentru a se proteja de toate constrângerile mediului în care trăiesc. E important să cercetăm schimbările chimice ce se produc la uscare.
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.
În ultimul studiu pe care l-am făcut la nivel molecular, am cercetat lipidomul – răspunsul lipidelor la uscare. Acest lucru e important pentru că toate membranele biologice sunt făcute din lipide. Formează membrane pentru că sunt în apă. Dacă iei apa, membranele se prăbuşesc. Lipidele actionează şi ca semnale pentru activarea genelor.
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.
Apoi folosim studii fiziologice şi biochimice ca să încercăm să înţelegem funcţiile presupuşilor protectori pe care i-am descoperit în alte studii. Folosind toate astea încercăm să înţelegem cum face faţă planta mediului său 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.
Mereu am considerat că trebuie să înţeleg în detaliu mecanismele toleranţei la desicare ca să fac o propunere pertinentă de aplicaţie biotică.
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.
Sunt sigură că unii gândiţi: „Prin aplicaţie biotică, vrea să spună că va crea culturi modificate genetic?" Răspunsul la această întrebare e: depinde ce înţelegeţi prin modificare genetică.
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.
Toate culturile pe care le consumăm azi, grâu, orez, porumb, sunt foarte modificate genetic faţă de strămoşii lor, dar nu le considerăm modificate genetic pentru că sunt produse prin înmulţire convenţională. Dacă întrebarea e: voi pune gene ale plantelor care învie în culturi? Răspunsul e da.
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.
Ca să câştigăm timp, am încercat această abordare. Mai precis, câţiva colaboratori ai mei de la UCT, Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen, au deschis acest drum şi vă voi arăta curând câteva rezultate.
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.
Vrem să demarăm o abordare foarte ambiţioasă, în care dorim să activăm pachete întregi de gene care sunt deja prezente în toate culturile. Doar că nu au mai fost activate în condiţii de secetă extremă. Vă las pe voi să decideţi daca asta e modificare genetică sau nu.
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.
Acum vă voi prezenta câteva date din acea primă abordare. Pentru a face asta, trebuie să explic puţin cum funcţionează genele.
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.
Probabil că ştiţi: genele sunt formate din spirale duble de ADN împletite strâns în cromozomi prezenți în fiecare celulă a corpului nostru sau al plantelor. Dacă desfăşori acel ADN, obţii gene. Fiecare genă are un activator, care e doar un întrerupător pornit / oprit, zona de codare a genei şi apoi un terminator, care indică sfârşitul genei, și începe următoarea genă.
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.
Promotorii nu sunt simple întrerupătoare pornit / oprit. În mod normal, ei necesită multă calibrare, multe lucruri trebuie să fie prezente şi corecte, înainte ca gena să fie activată. Ce se face uzual în studiile biotehnice e că folosim un promotor inductibil, pe care ştim cum să îl activăm. Îl ataşăm genelor care ne interesează, le punem într-o plantă şi urmărim răspunsul acesteia.
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.
În studiul despre care voi vorbi, colegii mei au folosit un promotor indus de secetă, pe care l-am descoperit într-o plantă care învie. Interesant în cazul acestui promotor e că noi nu facem nimic. Planta simte seceta automat. L-am folosit să stimulăm genele antioxidante din plantele care învie. De ce genele antioxidante? Ei bine, toate solicitările, în special seceta, provoacă formarea radicalilor liberi, sau specii reactive de oxigen, care sunt foarte distructive şi pot duce la moartea culturii. Antioxidanţii opresc această distrugere.
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.
Aici e un studiu privind un soi de porumb care e foarte răspândit în Africa. La stânga săgeţii sunt plantele fără gene, la dreapta, plantele cu gene antioxidante. După trei săptămâni fără apă, cele cu genele o duc mult mai bine.
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?
Acum, abordarea finală. Cercetările mele au arătat că există asemănări considerabile între mecanismele de rezistenţă la uscare ale seminţelor şi ale plantelor ce învie. M-am întrebat dacă folosesc aceleași gene? Adică: plantele care învie folosesc genele toleranței la desicare ale semințelor pentru rădăcini şi frunze? Le-au realocat același efect în rădăcini și frunze?
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.
Am găsit răspunsul în multiplele cercetări efectuate de grupul meu, şi o colaborare recentă cu grupul lui Henk Hillhorst din Olanda, cu Mel Oliver din Statele Unite şi Julia Buitink din Franţa. Răspunsul este da, există un nucleu de gene implicate în ambele cazuri.
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.
Voi ilustra acest lucru foarte simplist pentru porumb, unde cromozomii de sub întrerupător reprezintă toate genele necesare pentru rezistenţa la desicare. La sfârşitul perioadei de dezvoltare, pe măsură ce se usucă, seminţele de porumb activează aceste gene. Plantele care învie activează aceleaşi gene atunci când se usucă. Așadar, toate culturile moderne au aceste gene în rădăcini şi frunze, doar că nu le activează niciodată. Le activează doar în seminţe.
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.
Acum încercăm să înţelegem semnalele celulare şi din mediu care activează aceste gene în plantele care învie, ca să reproducem procesul la culturi.
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.
Ca un gând final: ce încercăm noi să facem foarte rapid e să repetăm ce a făcut natura în evoluţia plantelor care învie, acum cam 10 - 40 de milioane de ani.
My plants and I thank you for your attention.
Eu şi plantele mele vă mulţumim pentru atenție.
(Applause)
(Aplauze)