How we can make crops survive without water | Jill Farrant

Překladatel: Michal Otáhal Korektor: Jan Kadlec

I believe that the secret to producing extremely drought-tolerant crops,

Věřím, že klíč k produkování extrémně suchomilných plodin,

which should go some way to providing food security in the world,

což může jít naproti zajištění potravinové bezpečnosti ve světě,

lies in resurrection plants,

leží v rostlinách vzkříšení,

pictured here, in an extremely droughted state.

na obrázku v extrémně vysušenému stavu.

You might think that these plants look dead,

Můžete si myslet, že tyto rostliny vypadají mrtvě,

but they're not.

ale nejsou.

Give them water,

Dejte jim vodu,

and they will resurrect, green up, start growing, in 12 to 48 hours.

a vzkřísí se, zezelenají, začnou růst, do 12 až 48 hodin.

Now, why would I suggest

Proč bych ale tvrdila,

that producing drought-tolerant crops will go towards providing food security?

že produkce suchomilných plodin napomáhá zajištění potravinové bezpečnosti?

Well, the current world population is around 7 billion.

Tedy, aktuální světová populace je zhruba 7 miliard.

And it's estimated that by 2050,

A je odhadováno, že k roku 2050

we'll be between 9 and 10 billion people,

nás bude mezi 9 a 10 miliardami lidí,

with the bulk of this growth happening in Africa.

s většinou tohoto růstu odehrávající se v Africe.

The food and agricultural organizations of the world

Potravinové a zemědělské organizace světa navrhly,

have suggested that we need a 70 percent increase

že potřebujeme 70procentní růst

in current agricultural practice

v současných zemědělských praktikách,

to meet that demand.

abychom vyhověli poptávce.

Given that plants are at the base of the food chain,

Díky tomu, že rostliny jsou vespod potravního řetězce,

most of that's going to have to come from plants.

většina toho bude muset přijít od rostlin.

That percentage of 70 percent

Ten podíl 70 procent

does not take into consideration the potential effects of climate change.

nebere v potaz potenciální dopady klimatických změn.

This is taken from a study by Dai published in 2011,

Toto je vytaženo ze studie od Dai vydané roku 2011,

where he took into consideration

kde bere v potaz

all the potential effects of climate change

všechny potenciální dopady na změny klimatu

and expressed them -- amongst other things --

a vyjadřuje je --- mimo další věci ---

increased aridity due to lack of rain or infrequent rain.

zvýšeným suchem kvůli nedostatku deště nebo nepravidelnému dešti.

The areas in red shown here,

Oblasti zde ukázané červeně

are areas that until recently

jsou oblasti, které donedávna

have been very successfully used for agriculture,

byly velmi úspěšně využívané pro zemědělství,

but cannot anymore because of lack of rainfall.

ale už nemůžou kvůli nedostatku srážek.

This is the situation that's predicted to happen in 2050.

To je situace, která je předpovězena, že se stane v roce 2050

Much of Africa, in fact, much of the world,

Většina Afriky, vlastně, většina světa

is going to be in trouble.

se dostane do problému.

We're going to have to think of some very smart ways of producing food.

Budeme muset popřemýšlet o nějakém velmi chytrém způsobu produkování jídla.

And preferably among them, some drought-tolerant crops.

A upřednostnit mezi nimi nějaké suchomilné plodiny.

The other thing to remember about Africa is

Další věc k zapamatování o Africe je,

that most of their agriculture is rainfed.

že většina jejího zemědělství je živena deštěm.

Now, making drought-tolerant crops is not the easiest thing in the world.

Jenže vytváření suchomilných plodin není zrovna nejlehčí věc na světě.

And the reason for this is water.

A tím důvodem je voda.

Water is essential to life on this planet.

Voda je zásadní pro život na této planetě.

All living, actively metabolizing organisms,

Vše živé, aktivně metabolizující organismy,

from microbes to you and I,

od mikrobů po vás i mě,

are comprised predominately of water.

se tvoří převážně z vody.

All life reactions happen in water.

Veškeré reakce života se odehrávají ve vodě.

And loss of a small amount of water results in death.

A ztráta malého množství vody končí smrtí.

You and I are 65 percent water --

Vy a já jsme z 65 procent voda --

we lose one percent of that, we die.

ztratíme jedno procento a zemřeme.

But we can make behavioral changes to avoid that.

Ale můžeme pozměnit chování, abychom se tomu vyhli.

Plants can't.

Rostliny nemohou.

They're stuck in the ground.

Jsou přilepené k zemi.

And so in the first instance they have a little bit more water than us,

A proto mají v první řadě o trochu více vody než my,

about 95 percent water,

okolo 95 procent vody,

and they can lose a little bit more than us,

a mohou ztratit o něco více než my,

like 10 to about 70 percent, depending on the species,

od 10 do 70 procent v závislosti na druhu,

but for short periods only.

ale jen po krátkou dobu.

Most of them will either try to resist or avoid water loss.

Většina z nich se bude buď snažit zabránit nebo se vyhnout ztrátě vody.

So extreme examples of resistors can be found in succulents.

Takto extrémní příklady vytrvalců mohou být nalezeny u sukulentů.

They tend to be small, very attractive,

Bývají malé, velmi atraktivní,

but they hold onto their water at such great cost

ale drží se své vody za tak velkou cenu,

that they grow extremely slowly.

že rostou extrémně pomalu.

Examples of avoidance of water loss are found in trees and shrubs.

Příklady vyhýbání se ztráty vody nalezneme ve stromech a křovinách.

They send down very deep roots,

Zapouští kořeny velmi hluboko,

mine subterranean water supplies

dolují podzemní vodní zásoby

and just keep flushing it through them at all times,

a prostě je v sobě neustále proplachují,

keeping themselves hydrated.

aby si udržely hydrataci.

The one on the right is called a baobab.

Ten napravo se jmenuje baobab.

It's also called the upside-down tree,

Také se nazývá strom vzhůru nohama,

simply because the proportion of roots to shoots is so great

jednoduše protože proporce kořenů s výhonkem je tak velká,

that it looks like the tree has been planted upside down.

že to vypadá jakoby ten strom byl zasazen vzhůru nohama.

And of course the roots are required for hydration of that plant.

Ty kořeny jsou samozřejmě potřebné na hydrataci této rostliny.

And probably the most common strategy of avoidance is found in annuals.

a možná tu nejběžnější strategii vyhýbání nalezneme u jednoletek.

Annuals make up the bulk of our plant food supplies.

Jednoletky tvoří velkou část našich rostliných potravinových zásob.

Up the west coast of my country,

Na západním pobřeží mé země,

for much of the year you don't see much vegetation growth.

většinu roku neuvidíte moc rostoucí vegetace.

But come the spring rains, you get this:

Ale s jarními dešti přijde toto:

flowering of the desert.

vzkvétání pouště.

The strategy in annuals,

Strategie u jednoletek

is to grow only in the rainy season.

je nechat je růst jen v obdobích dešťů.

At the end of that season they produce a seed,

Na konci tohoto období vyprodukují semínko,

which is dry, eight to 10 percent water,

které je suché, má 8 až 10 % vody,

but very much alive.

ale velmi živé.

And anything that is that dry and still alive,

A cokoliv co je takto suché a stále živé,

we call desiccation-tolerant.

nazýváme vysušení odolné.

In the desiccated state,

Ve vysušeném stavu,

what seeds can do is lie in extremes of environment

co semínka dokáží je, že leží v extrémních prostředích

for prolonged periods of time.

po delší dobu.

The next time the rainy season comes,

S přicházejícím obdobím deštů,

they germinate and grow,

vyklíčí a rostou

and the whole cycle just starts again.

a celý cyklus začíná znovu.

It's widely believed that the evolution of desiccation-tolerant seeds

Rozšířeně se věří, že evoluce vysušení tolerantních semen

allowed the colonization and the radiation

umožnilo kolonizování a rozšíření

of flowering plants, or angiosperms, onto land.

krytosemenných rostlin neboli angiosperms na souš.

But back to annuals as our major form of food supplies.

Ale zpět k jednoletkám jako našemu hlavnímu zdroji potravin.

Wheat, rice and maize form 95 percent of our plant food supplies.

Pšenice, rýže a kukuřice tvoří 95 procent našich rostlinných zásob jídla.

And it's been a great strategy

A to je skvělá strategie,

because in a short space of time you can produce a lot of seed.

protože v krátkém časovém rozmezí můžete vyprodukovat mnoho semen.

Seeds are energy-rich so there's a lot of food calories,

Semena jsou energeticky bohatá, je tam dost kalorií,

you can store it in times of plenty for times of famine,

můžete je uchovat v době nadúrody pro doby hladomoru,

but there's a downside.

ale je tu nevýhoda.

The vegetative tissues,

Vegetativní pletivo,

the roots and leaves of annuals,

kořeny a listy jednoletek,

do not have much

nemají moc

by way of inherent resistance, avoidance or tolerance characteristics.

vrozených rezistentních, vyhýbavých ani tolerantních charakteristik.

They just don't need them.

Prostě je nepotřebují.

They grow in the rainy season

Rostou v období dešťů

and they've got a seed to help them survive the rest of the year.

a mají semínko, které jim pomůže přežít zbytek roku.

And so despite concerted efforts in agriculture

A tak navzdory intenzivní snaze v zemědělství

to make crops with improved properties

vytvořit plodiny s vylepšenými vlastnostmi

of resistance, avoidance and tolerance --

jako je odolnost, nenáchylnost, tolerance –

particularly resistance and avoidance

především odolnost a

because we've had good models to understand how those work --

protože máme dobré modely k porozumění, jak fungují --

we still get images like this.

stále získáváme obrazy jako tento.

Maize crop in Africa,

Kukuřice v Africe,

two weeks without rain

dva týdny bez deště

and it's dead.

a je mrtvá.

There is a solution:

Existuje řešení:

resurrection plants.

rostliny vzkříšení.

These plants can lose 95 percent of their cellular water,

Tyto rostliny mohou ztratit 95 procent své buněčné vody,

remain in a dry, dead-like state for months to years,

zůstanou suché, jakoby mrtvé po měsíce až roky,

and give them water,

ale dejte jim vodu,

they green up and start growing again.

zezelenají a začnou znovu růst.

Like seeds, these are desiccation-tolerant.

Jako semínka, která jsou vysušení odolná.

Like seeds, these can withstand extremes of environmental conditions.

Jako semínka dokáží vystát podmínky extrémního prostředí.

And this is a really rare phenomenon.

A to je velmi vzácný fenomén.

There are only 135 flowering plant species that can do this.

Existuje pouze 135 krytosemenných rostlin, které to zvládnou.

I'm going to show you a video

Ukáži vám video

of the resurrection process of these three species

o procesu vzkříšení těchto tří druhů

in that order.

v tomto pořadí.

And at the bottom,

Vespod

there's a time axis so you can see how quickly it happens.

je časová osa, abyste mohli pozorovat, jak rychle se to děje.

(Applause)

(Potlesk)

Pretty amazing, huh?

Ohromující, že?

So I've spent the last 21 years trying to understand how they do this.

Posledních 21 let jsem strávila snahou pochopit, jak to dělají.

How do these plants dry without dying?

Jak tyto rostliny vyschnou bez umření?

And I work on a variety of different resurrection plants,

Pracuji na řadě rozdílných rostlin vzkříšení,

shown here in the hydrated and dry states,

zde ukázaných hydratovaných i v suchých stavech,

for a number of reasons.

z několika důvodů.

One of them is that each of these plants serves as a model

Jeden z nich je, že každá z nich slouží jako model

for a crop that I'd like to make drought-tolerant.

pro plodinu, kterou bych chtěla vytvořit suchomilnou.

So on the extreme top left, for example, is a grass,

Například v levém horním rohu je tráva,

it's called Eragrostis nindensis,

jmenuje se Eragrostis nindensis,

it's got a close relative called Eragrostis tef --

její blízcí příbuzní se jmenují Eragrostis tef ---

a lot of you might know it as "teff" --

mnozí z vás ji mohou znát jako "teff" ---

it's a staple food in Ethiopia,

je to hlavní jídlo v Etiopii,

it's gluten-free,

je bezlepkové

and it's something we would like to make drought-tolerant.

a je to něco, co bychom rádi vytvořili suchomilné.

The other reason for looking at a number of plants,

Dalším důvodem pozorování vícero rostlin je, že,

is that, at least initially,

alespoň zpočátku,

I wanted to find out: do they do the same thing?

jsem chtěla zjistit: dělají tu samou věc?

Do they all use the same mechanisms

Používají všechny stejné mechanismy,

to be able to lose all that water and not die?

aby byly schopny ztratit všechnu vodu a nezemřít?

So I undertook what we call a systems biology approach

Tak jsem provedla takzvaný systematický biologický přístup,

in order to get a comprehensive understanding

abych získala obecné pochopení

of desiccation tolerance,

o vysoušecí toleranci,

in which we look at everything

ve kterém pozorujeme vše

from the molecular to the whole plant, ecophysiological level.

od molekul po celou rostlinu, na ekofyzické úrovni.

For example we look at things like

Díváme se třeba na věci způsobem,

changes in the plant anatomy as they dried out

jako změny v rostlinné anatomii při vysušení

and their ultrastructure.

a jejich ultrastruktuře.

We look at the transcriptome, which is just a term for a technology

Díváme se na transkriptomy, což je pouze termín pro technologii,

in which we look at the genes

ve které pozorujeme geny,

that are switched on or off, in response to drying.

které jsou aktivní nebo ne v reakci na vysušení.

Most genes will code for proteins, so we look at the proteome.

Většina genů kóduje proteiny, tak se díváme na proteomy.

What are the proteins made in response to drying?

Jaké proteiny jsou vytvořené v reakci na vysušení?

Some proteins would code for enzymes which make metabolites,

Některé proteiny programují enzymy, které tvoří metabolity,

so we look at the metabolome.

tak se díváme na metabolomy.

Now, this is important because plants are stuck in the ground.

Toto je důležíté, protože rostliny jsou přichyceny k zemi.

They use what I call a highly tuned chemical arsenal

Používají, co já nazývám, vysoce vyladěný chemický arzenál,

to protect themselves from all the stresses of their environment.

aby se ochránily před všemi problémy jejich prostředí.

So it's important that we look

Je důležité, abychom pozorovali

at the chemical changes involved in drying.

chemické změny spojené s vysycháním.

And at the last study that we do at the molecular level,

V poslední studii, kterou děláme na molekulární úrovni,

we look at the lipidome --

pozorujeme lipidomy ---

the lipid changes in response to drying.

lipidy se mění v důsledku umírání.

And that's also important

A to je také důležité,

because all biological membranes are made of lipids.

protože všechny biologické membrány jsou tvořeny lipidy.

They're held as membranes because they're in water.

Udržují se jako mebrány, jelikož jsou ve vodě.

Take away the water, those membranes fall apart.

Odeberte vodu, tyto mebrány se zbortí.

Lipids also act as signals to turn on genes.

Lipidy také fungují jako signály k zapnutí genů.

Then we use physiological and biochemical studies

Pak používáme fyzické a biochemické studie

to try and understand the function of the putative protectants

k vyzkoušení a porozumění funkce domnělých ochránců,

that we've actually discovered in our other studies.

které jsme skutečně objevili v našich studiích.

A pak použít tohle všechno k vyzkoušení a porozumění,

And then use all of that to try and understand

how the plant copes with its natural environment.

jak se rostliny vyrovnávají s jejich přirozeným prostředím.

I've always had the philosophy that I needed a comprehensive understanding

Mou filozofií vždy bylo, že potřebuji obecné porozumění

of the mechanisms of desiccation tolerance

o mechanismech vysoušecí tolerance,

in order to make a meaningful suggestion for a biotic application.

abych vytvořila nějaký smysluplný návrh na biotické použití.

I'm sure some of you are thinking,

Určitě si někteří z vás myslí,

"By biotic application,

"biotickou aplikací,

does she mean she's going to make genetically modified crops?"

myslí tím, že vytvoří geneticky modifikované plodiny?"

And the answer to that question is:

A odpovědí na tu otázku je:

depends on your definition of genetic modification.

záleží na vaší definici genetické modifikace.

All of the crops that we eat today, wheat, rice and maize,

Všechny plodiny, co dnes jíme, pšenice, rýže a kukuřice,

are highly genetically modified from their ancestors,

jsou vysoce geneticky modifikované našimi předky,

but we don't consider them GM

ale nepovažujeme je za GM,

because they're being produced by conventional breeding.

protože byly vyprodukované tradičním šlechtěním.

If you mean, am I going to put resurrection plant genes into crops,

Pokud si myslíte, že budu vkládat do plodin geny rostlin vzkříšení,

your answer is yes.

pak je odpovědí ano.

In the essence of time, we have tried that approach.

V průběhu času jsme tento postup vyzkoušeli.

More appropriately, some of my collaborators at UCT,

Přesněji někteří moji spolupracovníci v UCT,

Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen,

Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen,

have spearheaded that approach

udělali v tomto přístupu průlom

and I'm going to show you some data soon.

a brzy vám ukáži nějaká data.

But we're about to embark upon an extremely ambitious approach,

Ale chystáme se začít s extrémně ambiciózním přístupem,

in which we aim to turn on whole suites of genes

ve kterém se zaměřujeme na zapnutí celé sady genů,

that are already present in every crop.

které již jsou přítomny ve všech plodinách.

They're just never turned on under extreme drought conditions.

Akorát že se nikdy nezapnou v podmínkách extrémního sucha.

I leave it up to you to decide

Nechám to na vašem uvážení,

whether those should be called GM or not.

jestli by se to mělo nazývat GM nebo ne.

I'm going to now just give you some of the data from that first approach.

Teď vám ukáži nějaká data z toho prvního přístupu.

And in order to do that

A aby se mi to povedlo,

I have to explain a little bit about how genes work.

musím vám vysvětlit pár věcí o tom, jak geny fungují.

So you probably all know

Asi všichni víte,

that genes are made of double-stranded DNA.

že geny jsou tvořeny dvojitou šroubovicí DNA.

It's wound very tightly into chromosomes

Je to spleteno velmi pevně do chromozomů,

that are present in every cell of your body or in a plant's body.

které jsou přítomny v každé buňce našeho těla nebo v těle rostliny.

If you unwind that DNA, you get genes.

Pokud rozvážete DNA, získáte geny.

And each gene has a promoter,

A každý gen má spouštěče,

which is just an on-off switch,

který je pouze spínač,

the gene coding region,

oblast genetického programování,

and then a terminator,

a pak vypínač,

which indicates that this is the end of this gene, the next gene will start.

který indikuje, že to je konec genu a spustí se další gen.

Now, promoters are not simple on-off switches.

Spouštěče ale nejsou pouhé spínače.

They normally require a lot of fine-tuning,

Většinou vyžadují hodně ladění,

lots of things to be present and correct before that gene is switched on.

hodně věcí přítomných a správných, než se geny zapnou.

So what's typically done in biotech studies

Takže co se typicky dělá v biotechnických oborech je,

is that we use an inducible promoter,

že použijeme vyvolatelné spouštěče,

we know how to switch it on.

víme, jak je zapnout.

We couple that to genes of interest

Shromážďujeme je v potřebných genech,

and put that into a plant and see how the plant responds.

dáme do rostliny a pozorujeme, jak rostlina odpovídá.

In the study that I'm going to talk to you about,

Ve studiích, o kterých vám budu povídat,

my collaborators used a drought-induced promoter,

moji spolupracovníci používají suchem vyvolatelný spouštěč,

which we discovered in a resurrection plant.

který jsme objevili v rostlinách vzkříšení.

The nice thing about this promoter is that we do nothing.

Ta krásná věc v těchto spouštěčích je, že neděláme nic.

The plant itself senses drought.

Rostlina sama vycítí sucho.

And we've used it to drive antioxidant genes from resurrection plants.

A využili jsme to k vyhnání antioxidantů z genů rostlin vzkříšení.

Why antioxidant genes?

Proč antioxidační geny?

Well, all stresses, particularly drought stress,

No, všechny zátěže, především zátěž sucha,

results in the formation of free radicals,

končí tvořením volných radikálů

or reactive oxygen species,

nebo reaktivní formy kyslíku,

which are highly damaging and can cause crop death.

které jsou velmi poškozující a mohou způsobit plodině smrt.

What antioxidants do is stop that damage.

Antioxidanty ale zastavují toto poškození.

So here's some data from a maize strain that's very popularly used in Africa.

Tady jsou nějaká data druhu kukuřice, který je běžně využíván v Africe.

To the left of the arrow are plants without the genes,

Nalevo od šipky jsou rostliny bez těch genů,

to the right --

napravo --

plants with the antioxidant genes.

rostliny s antioxidačními geny.

After three weeks without watering,

Po třech týdnech bez zalévání

the ones with the genes do a hell of a lot better.

si ty s těmi geny vedou o mnoho lépe.

Now to the final approach.

Teď k hlavnímu přístupu.

My research has shown that there's considerable similarity

Můj výzkum ukázal, že je tu výrazná podobnost

in the mechanisms of desiccation tolerance in seeds and resurrection plants.

mezi mechanismy vysoušecí tolerance v semenech a rostlinami vzkříšení.

So I ask the question,

Tak jsem se zeptala,

are they using the same genes?

používají stejné geny?

Or slightly differently phrased,

Nebo trochu jinak řečeno,

are resurrection plants using genes evolved in seed desiccation tolerance

používají rostliny vzkříšení geny vytvořené pro semennou vysoušecí toleranci

in their roots and leaves?

v jejich kořenech a listech?

Have they retasked these seed genes

Přemístily se tyto geny semene

in roots and leaves of resurrection plants?

do kořenů a listů rostlin vzkříšení?

And I answer that question,

A na otázku odpovím

as a consequence of a lot of research from my group

výsledkem mnoha výzkumů mé skupiny

and recent collaborations from a group of Henk Hilhorst in the Netherlands,

a nedávné spolupráce se skupinou Henka Hilhorsta v Nizozemí,

Mel Oliver in the United States

Melem Oliverem ze Spojených států

and Julia Buitink in France.

a Julie Buitink z Francie.

The answer is yes,

Odpovědí je ano,

that there is a core set of genes that are involved in both.

že existuje jádrová sada genů, která je zahrnuta v obou.

And I'm going to illustrate this very crudely for maize,

A doložím vám to velmi nahrubo na kukuřici,

where the chromosomes below the off switch

kde chromozomy pod spínačem

represent all the genes that are required for desiccation tolerance.

představují všechny geny požadované pro vysychající toleranci.

So as maize seeds dried out at the end of their period of development,

Takže jak semínka kukuřice vysychají na konci jejich cyklu vývoje,

they switch these genes on.

zapnou tyto geny.

Resurrection plants switch on the same genes

Rostliny vzkříšení zapínají stejné geny,

when they dry out.

když vysychají.

All modern crops, therefore,

Proto všechny moderní plodiny

have these genes in their roots and leaves,

mají tyto geny ve svých kořenech a listech,

they just never switch them on.

akorát je nikdy nezapnou.

They only switch them on in seed tissues.

Zapnou je pouze v pletivu semene.

So what we're trying to do right now

Takže co se právě teď snažíme udělat

is to understand the environmental and cellular signals

je pochopit signály prostředí a buněk,

that switch on these genes in resurrection plants,

které zapínají tyto geny v rostlinách vzkříšení

to mimic the process in crops.

k imitaci toho procesu v plodinách.

And just a final thought.

A jedna závěrečná myšlenka.

What we're trying to do very rapidly

O co se velmi rychle snažíme,

is to repeat what nature did in the evolution of resurrection plants

je zopakovat, co příroda udělala v evoluci rostlin vzkříšení

some 10 to 40 million years ago.

zhruba 10 až 40 milionů let před námi.

My plants and I thank you for your attention.

Mé rostliny i já vám děkujeme za pozornost.

(Applause)

(Potlesk)