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.
Вірю, що секрет вирощування посухостійких врожаїв, які гарантують світову харчову безпеку, полягає у рослинах-ефемерах, зображених тут, у дуже висохлому стані. Можна припустити, що ці рослини мертві, але це не так. Дайте їм води, й вони оживуть і виростуть за 12-48 годин.
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.
Отже, чому я припускаю, що посухостійкі культури гарантують харчову безпеку? Населення планети сягає нині 7 мільярдів. І вважається, що до 2050 року населення досягне 9 - 10 мільярдів, причому зростатиме воно здебільшого в Африці.
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.
Продовольчі й сільськогосподарські організації пропонують на 70 відсотків збільшити обсяг поточного сільського господарства, щоб задовольнити цей попит. Позаяк рослини є основою харчового ланцюга, ця цифра стосується, здебільшого, їх.
That percentage of 70 percent does not take into consideration the potential effects of climate change.
Ці 70 відсотків не беруть до уваги впливу змін у кліматі.
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.
Це взято з дослідження Дай 2011 року, де проаналізовано всі можливі наслідки кліматичних змін і зазначено - серед інших причин - підвищену посуха через бездощів'я. Територія, позначена червоним кольором, це області, які останнім часом успішно задіювало сільське господарство, та тепер це неможливо через бездощів'я. Це передбачення на 2050 рік. Більша частина Африки і всієї планети опиниться у біді. Нам слід замислитись над новими способами виробництва харчів. І, бажано, над посухостійкими культурами.
The other thing to remember about Africa is that most of their agriculture is rainfed.
Щодо Африки, ми також маємо пам'ятати, що більшість її агрокультур напоєні дощами.
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.
Вирощувати посухостійкі рослини складно. І причиною цього є вода. Вода необхідна для життя на планеті. Всі живі метаболічні організми, від мікробів до нас із вами, складаються в основному з води. Усі життєві реакції відбуваються у воді. Втрата певної кількості води - смертельна. Ви і я - це 65 відсотків води - втрачаємо 1 процент - і помираємо. Але ми можемо змінити поведінку й цього уникнути. Рослини цього уникнути не можуть. Вони ростуть у землі, й таким чином спершу мають трохи більше води, ніж ми, близько 95 відсотків води, і можуть втрачати дещо більше, ніж ми: від 10 до 70 процентів, залежно від виду, але тільки на короткі періоди.
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.
Більшість з них уникають втрати води. Найкращим прикладом є сукуленти. Вони переважно маленькі й дуже привабливі, але затримують воду великою ціною, бо ростуть надзвичайно повільно. Прикладами є дерева і чагарники. Вони вкорінюються дуже глибоко, забирають підгрунтові запаси води і наповнюють нею себе у потрібний час, підтримуючи гідробаланс.
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.
Рослина праворуч називається баобаб. Її також називають рослиною догори-дригом, бо непропорційність коренів і паростків справляє враження перевернутого дерева. Звісно, для того, щоб рослина добувала воду, потрібні корені.
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.
Найпоширеніша стратегія - в однорічних рослин. Однорічні є основою нашого харчування. Від західного кордону моєї країни упродовж року вегетація є незначною. Але приходять весняні дощі, і маємо: квітучу пустелю.
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.
Стратегія однорічних полягає у тому, щоб рости лише у дощову пору року. У кінці цієї пори року утворюється насіння з вмістом від 8 до 10 відсотків води, сухе, але дуже живе. А все, що cухе й живе, є терпимим до висихання.
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.
У висушеному стані насіння може зберігатися в екстремальних умовах протягом тривалих проміжків часу. Коли настає наступна дощова пора, воно проростає і росте, і весь цикл розпочинається знову.
It's widely believed that the evolution of desiccation-tolerant seeds allowed the colonization and the radiation of flowering plants, or angiosperms, onto land.
Вважають, що еволюція насіння, яке стійке до висихання, призвело до розповсюдження квітучих рослин, або ангіосперм на Землі.
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.
Повертаємось до однорічних як нашого основного харчового продукту. Пшениця, рис, кукурудза - це 95% наших харчів. Їхня стратегія чудова, тому що за короткий проміжок виростає багато насіння. Насіння - енергетично насичене і калорійне. Велику його кількість можна зберігати для голодних часів, але у цьому є недолік. Вегетативні тканини, коріння і листя однорічних рослин не характеризуються значною резистентністю чи стійкістю. Вони їх просто не потребують. Вони ростуть у дощову пору і мають насіння, щоб вижити до кінця року.
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.
Отже, попри наполегливі спроби, виростити врожай з покращеними властивостями - резистентністю, уникненням, стійкістю - надто резистентністю і стійкістю, бо ми мали хороші зразки й добре вивчили ці ознаки - ми все ще отримуємо такі приклади. Кукурудза, яка росте в Африці: якщо протягом двох тижнів немає дощу, вона гине.
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.
Однак існує рішення: це - рослини, які відновлюються, або ж ефемери. Вони можуть втрачати 95% клітинної води, залишатись у сухому, мертвоподібному стані місяцями, але варто дати їм воду - й вони зазеленіють і знову почнуть рости. Як і насіння, вони терпимі до висихання. Вони протистоять екстремальній погоді. І це насправді - рідкісний феномен. Тільки 135 видів квітучих рослин здатні на таке.
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.
Я покажу вам відео процесу відтворення цих трьох видів у такому порядку. А внизу є вісь часу, яка показує швидкість того, що відбувається.
(Applause)
(Оплески)
Pretty amazing, huh?
Неймовірно, чи не так? Отже, я провела
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.
21 рік, розмірковуючи, як це відбувається. Як ці рослини сохнуть, не помираючи? І я працюю над різновидами, що відновлюються - тут вони показані в зволоженому й сухому станах - через низку причин. Одна з них - це те, що
One of them is that each of these plants serves as a model for a crop that I'd like to make drought-tolerant.
кожна з цих рослин слугує зразком для врожаю, який я хочу зробити посухостійким.
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.
У верхньому лівому куті, наприклад, є трава. Вона називається Eragrostis nindensis. Її найближчий родич - це Eragrostis tef - або ж знаний декому з вас "теф" - основний продукт харчування в Ефіопії, він не містить клейковини, і саме таким ми хочемо зробити посухостійкі рослини.
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?
Ще одна причина розглядати ряд рослин - це моє бажання принаймні зрозуміти, чи вони поводяться однаково? Чи всі вони застосовують однаковий механізм, щоб зберегти життя, втративши воду?
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.
Я застосувала так званий системний біологічний підхід, щоб зрозуміти, що таке стійкість до висихання - згідно з ним, ми розглядаємо все - від молекули до цілої рослини на екофізіологічному рівні.
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.
Наприклад, ми розглядаємо зміни в анатомії рослини, що висохла, а також її ультраструктуру. Дивимось на транскриптому - це лише термін, який позначає технологію, за якою ми аналізуємо, які гени активуються, а які ні у відповідь на посуху. Більшість генів кодують білок, тому ми дивимось на протеом. Які білки утворюються у відповідь на посуху? Деякі утворюють ензими, а вони - метаболіти, отже, ми дивимось на метаболому.
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.
Це важливо, бо рослини ростуть у землі. Вони використовують досконало підібраний хімічний арсенал, щоб захиститись від навколишніх стресів. А отже, важливо розглядати усі хімічні зміни, задіяні у засиханні рослин.
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.
В останньому дослідженні на молекулярному рівні ми розглядаємо ліпідому - ліпідні зміни у відповідь на процес засихання. І це також важливо, бо усі біологічні мембрани утворюються з ліпідів. Вони утримують форму мембрани, бо перебувають у воді. Заберіть воду, і вони розпадуться. Ліпіди також є сигналами для активації генів.
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.
Крім того, ми застосовуємо фізіологію і біохімію, щоб зрозуміти функцію захисних речовин, яких ми виявили в інших дослідах. А далі використовуємо усе це, щоб зрозуміти як рослина існує в довкіллі.
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.
Я завжди хотіла повністю зрозуміти механізми, що протидіють висиханню, щоб запропонувати практичне використання біотиків.
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.
Я впевнена, дехто думає, чи кажучи "практичне використання біотиків", я маю намір створити генетично модифіковані рослини? І відповідь на це запитання така: усе залежить від того, як ви розумієте генетичну модифікацію.
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.
Усі культури, що ми їмо - пшениця, рис, маїс - віддавна є генетично модифікованими, але ми не вважаємо їх ГМ, тому що їх вирощують традиційним способом. Якщо ви думаєте, що я занесу гени рослини, здатної до відновлення, у злакові культури, тоді відповідь на ваше запитання - "так".
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.
Часом ми застосовували цей підхід. Деякі мої колеги з Університету Кейптауна - Дженніфер Томсон, Сагейл Рафудін - застосовували цей підхід, і невдовзі я покажу вам деякі результати.
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.
Ти ми збираємось розпочати амбітний проект, у якому плануємо задіяти всі найкращі гени, які вже містяться у кожній культурі. Їх ще ніколи не активовували в екстремальних умовах посухи. Називати їх ГМ чи ні - вирішувати вам. А зараз я просто покажу вам дані з
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.
цієї першої спроби. А щоби це зробити, я повинна пояснити дещо про роботу генів.
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.
Напевно усім вам відомо, що гени складаються з двоспіральної ДНК. Вона дуже щільно переплетена з хромосомами, які знаходяться в кожній клітині тіла людини чи рослини. Розкрутивши ДНК, отримуємо гени. А кожний ген має промотор, двопозиційний перемикач, що кодує область гена, а також термінатор, який вказує, що це кінець цього гена і далі починається наступний.
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.
Промотори - не звичайні вмикачі-вимикачі. Вони вимагають налаштування і наявності багатьох компонентів, перш ніж ген буде активовано. У біотехнології зазвичай використовують індукований промотор, і ми знаємо, як його активувати. Ми поєднуємо гени, які нас цікавлять, поміщаємо їх у рослину і дивимось на реакції.
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.
У дослідженні, про яке я хочу розповісти, мої колеги взяли промотор, активований посухою, що його виявили у відновленій рослині. Хорошою ознакою цього промотера є те, що ми нічого не робимо. Рослина сама відчуває посуху. А ми вилучаємо антиоксидантні гени з відновлених рослин. Чому антиоксидантні гени? Усі стреси, особливо посуха, призводять до формування вільних радикалів, або ж активних кисневих форм, які дуже шкідливі і можуть призвести до загибелі рослини. А антиоксиданти зупиняють цей процес.
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.
Ось деякі дані про кукурудзу, широко розповсюджену в Африці. Ліворуч від стрілки бачимо рослини без генів, а праворуч - рослини з антиоксидантними генами. Їх не підливали три тижні - і вони прекрасно почуваються.
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?
Тепер про останній підхід. Моє дослідження показало, що механізми стійкості до висихання в насіння й рослин-ефемерів дуже схожі. Тож я запитую, чи вони використовують одні й ті самі гени? Або трохи перефразую: чи рослини-ефемери використовують гени, які запобігають всиханню кореня й листя рослин? Чи вони змінили завдання для цих генів у коренях і листі рослини, здатної відновитися?
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.
І я готова відповісти на це запитання після багатьох досліджень моєї групи і останніх праць групи Генка Гілгорста з Нідерландів, Мел Олівер зі США іДжулії Буйтінк з Франції. Так, існує базовий набір генів, які залучені в обох процесах.
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.
Я проілюструю це на прикладі кукурудзи, де хромосоми нижче вимикача представляють усі гени, необхідні для того, щоб пережити посуху. Оскільки насіння маїсу висохло наприінці періоду свого розвитку, воно вмикає ці гени. Рослини, здатні до відновлення, вмикають ті самі гени, коли висихають. Отож, усі сучасні зернові культури мають ці гени у своїх коренях і листі, вони просто ніколи їх не включають. Вони лише активують їх у тканинах насіння.
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.
Тепер ми намагаємося зрозуміти сигнали довкілля й клітинні сигнали, які вмикають ці гени у рослин-ефемерах, щоби зімітувати ці процеси в зернових культурах.
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.
І останнє. Ми намагаємось дуже швидко повторити те, що природа зробила за час еволюції рослин-ефемерів 10-40 мільйонів років тому.
My plants and I thank you for your attention.
Мої рослини і я дякуємо вам за увагу.
(Applause)
(Оплески)