How we can make crops survive without water | Jill Farrant

Traductor: Máximo Hdez Revisor: Lidia Cámara de la Fuente

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

Creo que el secreto para producir cultivos resistentes a la sequía,

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

que debemos lograr para dar seguridad alimentaria al mundo,

lies in resurrection plants,

reside en las plantas de resurrección,

representadas aquí, en un estado muy deshidratado.

pictured here, in an extremely droughted state.

You might think that these plants look dead,

Podrían pensar que estas plantas están muertas,

but they're not.

pero no lo están.

Give them water,

Al darles agua,

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

resucitarán, reverdecerán y comenzarán a crecer, entre 12 y 48 horas.

Now, why would I suggest

¿Por qué sugiero que la producción de

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

cultivos tolerantes a la sequía brindaría seguridad alimentaria?

Well, the current world population is around 7 billion.

La población mundial actual es de alrededor de 7 mil millones.

And it's estimated that by 2050,

Y se estima que para el año 2050,

we'll be between 9 and 10 billion people,

vamos a ser entre 9 y 10 mil millones de personas,

with the bulk of this growth happening in Africa.

con la mayor tasa de crecimiento en África.

The food and agricultural organizations of the world

Las organizaciones agrícolas de alimentos del mundo

have suggested that we need a 70 percent increase

han sugerido que es necesario un aumento del 70%

in current agricultural practice

en la producción agrícola actual

to meet that demand.

para satisfacer esa demanda.

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

Ya que las plantas están en la base de la cadena alimentaria,

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

la mayor parte tendrá que venir de las plantas.

That percentage of 70 percent

Ese porcentaje del 70 %

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

no tiene en cuenta los posibles efectos del cambio climático.

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

Esto está tomado de un estudio realizado por Dai, publicado en 2011,

where he took into consideration

donde tomó en consideración

all the potential effects of climate change

todos los efectos potenciales del cambio climático

and expressed them -- amongst other things --

y señaló, entre otras cosas

increased aridity due to lack of rain or infrequent rain.

el aumento de la aridez debido a la sequía o lluvia poco frecuente.

The areas in red shown here,

Las zonas en rojo mostradas aquí,

are areas that until recently

son áreas que hasta hace poco

have been very successfully used for agriculture,

se habían utilizado con mucho éxito para la agricultura,

but cannot anymore because of lack of rainfall.

pero ya no más debido a la falta de lluvias.

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

Esta es la situación que se prevé ocurrirá en el 2050.

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

Gran parte de África, de hecho, gran parte del mundo,

is going to be in trouble.

va a tener problemas.

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

Tendremos que pensar en formas muy inteligentes para producir alimentos.

And preferably among them, some drought-tolerant crops.

Y de preferencia, cultivos resistentes a la sequía.

The other thing to remember about Africa is

También hay que recordar que en África

la mayor parte de su agricultura es de secano.

that most of their agriculture is rainfed.

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

Hacer cultivos tolerantes a la sequía no es cosa fácil.

And the reason for this is water.

Y la razón es el agua.

El agua es esencial para la vida en este planeta.

Water is essential to life on this planet.

All living, actively metabolizing organisms,

Todos los organismos vivos que metabolizan

from microbes to you and I,

desde los microbios hasta tú y yo,

are comprised predominately of water.

estamos compuestos predominantemente de agua.

All life reactions happen in water.

Todas las reacciones de la vida suceden en el agua.

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

Y la pérdida de una pequeña cantidad de agua resulta en la muerte.

You and I are 65 percent water --

Tú y yo somos 65% agua,

we lose one percent of that, we die.

si perdemos un 1%, morimos.

But we can make behavioral changes to avoid that.

Pero podemos cambiar nuestro comportamiento para evitarlo.

Plants can't.

Las plantas no pueden.

They're stuck in the ground.

Están atrapados en el suelo.

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

Por eso tienen un poco más de agua que nosotros,

about 95 percent water,

casi un 95 % de agua,

and they can lose a little bit more than us,

y pueden perder un poco más que nosotros,

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

entre 10 % y 70 %, dependiendo de la especie,

but for short periods only.

pero por periodos cortos solamente.

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

La mayoría tratarán de resistir o evitar la pérdida de agua.

So extreme examples of resistors can be found in succulents.

Ejemplos extremos los podemos encontrar en plantas suculentas.

They tend to be small, very attractive,

Tienden a ser pequeñas, muy atractivas,

but they hold onto their water at such great cost

pero se aferran a su agua a tan alto costo

that they grow extremely slowly.

que crecen muy lentamente.

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

Los árboles y arbustos evitan la pérdida de agua.

They send down very deep roots,

Envían raíces muy profundas,

mine subterranean water supplies

minan suministros de agua subterráneos

and just keep flushing it through them at all times,

y mantienen el flujo en todo momento,

keeping themselves hydrated.

manteniéndose hidratados.

The one on the right is called a baobab.

El de la derecha es un baobab.

It's also called the upside-down tree,

También se le llama el árbol al revés,

simply because the proportion of roots to shoots is so great

simplemente porque la proporción de las raíces con las ramas es tan grande

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

que parece que el árbol se plantó al revés.

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

Y, por supuesto, se requieren las raíces para la hidratación de esa planta.

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

Y probablemente la estrategia más común se encuentra en las plantas anuales.

Annuals make up the bulk of our plant food supplies.

Las anuales son la mayoría de nuestros alimentos vegetales.

Up the west coast of my country,

En la costa oeste de mi país,

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

durante gran parte del año no se ve mucha vegetación.

But come the spring rains, you get this:

Pero al llegar las lluvias de primavera, se ve esto:

flores en el desierto.

flowering of the desert.

The strategy in annuals,

La estrategia de las plantas anuales,

is to grow only in the rainy season.

es crecer solo en la temporada de lluvias.

At the end of that season they produce a seed,

Al final de esa temporada producen semillas,

which is dry, eight to 10 percent water,

que están secas, con entre 8% y 10% de agua,

but very much alive.

pero muy vivas.

And anything that is that dry and still alive,

Y cualquier a cosa que esté seca y aún con vida,

we call desiccation-tolerant.

la llamamos tolerante a la desecación.

In the desiccated state,

En estado desecado,

las semillas pueden sobrevivir en condiciones extremas

what seeds can do is lie in extremes of environment

for prolonged periods of time.

por períodos prolongados de tiempo.

The next time the rainy season comes,

con la siguiente temporada de lluvias,

they germinate and grow,

germinan y crecen,

and the whole cycle just starts again.

y todo el ciclo comienza de nuevo.

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

Se cree ampliamente que la evolución de semillas tolerantes a la desecación

allowed the colonization and the radiation

permitió la colonización y la expansión

of flowering plants, or angiosperms, onto land.

de plantas con flores o angiospermas, hacia la tierra.

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

Regresemos a que las anuales son nuestro principal suministro de alimentos.

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

El trigo, el arroz y el maíz forman el 95% de nuestros alimentos vegetales.

And it's been a great strategy

Y ha sido una buena estrategia

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

porque en poco tiempo se pueden producir muchas semillas.

Las semillas son ricas en energía y hay gran cantidad de calorías,

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

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

se pueden almacenar en tiempos de abundancia para los tiempos de escasez,

but there's a downside.

pero hay un inconveniente.

The vegetative tissues,

Los tejidos vegetales,

the roots and leaves of annuals,

las raíces y hojas de las plantas anuales,

do not have much

no tienen por sí solas

by way of inherent resistance, avoidance or tolerance characteristics.

características inherentes de resistencia o tolerancia.

They just don't need them.

Simplemente no las necesitan.

They grow in the rainy season

Crecen en temporada de lluvias

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

y tienen una semilla para sobrevivir el resto del año.

And so despite concerted efforts in agriculture

Y así, a pesar de los esfuerzos conjuntos en la agricultura

to make crops with improved properties

para hacer cultivos con propiedades mejoradas

de resistencia, evasión y tolerancia,

of resistance, avoidance and tolerance --

particularly resistance and avoidance

particularmente la resistencia y la evasión

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

porque hemos tenido buenos modelos para entender cómo funcionan,

we still get images like this.

todavía nos llegan imágenes como esta.

Maize crop in Africa,

Cosecha de maíz en África,

two weeks without rain

dos semanas sin lluvia

and it's dead.

y está muerta.

There is a solution:

Hay una solución:

resurrection plants.

plantas de resurrección.

These plants can lose 95 percent of their cellular water,

Estas plantas pueden perder el 95% de su agua celular,

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

permanecer en un estado seco, muerto, durante meses o años,

y al darles agua,

and give them water,

they green up and start growing again.

reverdecen y comienzan a crecer de nuevo.

Like seeds, these are desiccation-tolerant.

Como las semillas, son tolerantes a la desecación.

Like seeds, these can withstand extremes of environmental conditions.

Como las semillas, pueden soportar condiciones ambientales extremas.

And this is a really rare phenomenon.

Y es un fenómeno muy raro.

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

Solo hay 135 especies de plantas con flores que pueden hacer esto.

I'm going to show you a video

Voy a mostrarles un vídeo

of the resurrection process of these three species

del proceso de resurrección de estas tres especies

in that order.

en ese orden.

And at the bottom,

Y en la parte inferior,

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

hay un eje de tiempo para que puedan ver lo rápido que pasa.

(Applause)

(Aplausos)

Pretty amazing, huh?

Bastante impresionante, ¿cierto?

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

Me he pasado los últimos 21 años tratando de entender cómo lo hacen.

¿Cómo se secan estas plantas sin morir?

How do these plants dry without dying?

And I work on a variety of different resurrection plants,

Y trabajo con diferentes plantas de resurrección,

shown here in the hydrated and dry states,

mostradas aquí en los estados hidratados y secos,

for a number of reasons.

por distintas razones.

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

Una es que cada una de estas plantas sirve como modelo

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

para un cultivo que me gustaría hacer tolerante a la sequía.

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

En el extremo superior izquierdo, por ejemplo, es una hierba,

se llama Eragrostis nindensis,

it's called Eragrostis nindensis,

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

tiene un pariente cercano llamado Eragrostis tef...

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

muchos sabrán que "teff"

it's a staple food in Ethiopia,

es un alimento básico en Etiopía,

it's gluten-free,

libre de gluten,

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

y es algo que nos gustaría hacer tolerante a la sequía.

The other reason for looking at a number of plants,

La otra razón para examinar varias plantas,

is that, at least initially,

es que, al menos inicialmente,

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

quería averiguar: ¿hacen lo mismo?

Do they all use the same mechanisms

¿todas utilizan los mismos mecanismos

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

para ser capaces de perder toda esa agua y no morir?

So I undertook what we call a systems biology approach

Hice lo que llamamos un enfoque de la biología de sistemas

con el fin de obtener una comprensión global

in order to get a comprehensive understanding

of desiccation tolerance,

de la tolerancia a la desecación,

in which we look at everything

en donde nos fijamos en todo

from the molecular to the whole plant, ecophysiological level.

desde la molécula a la planta entera, el nivel ecofisiológico.

For example we look at things like

Por ejemplo nos fijamos en

changes in the plant anatomy as they dried out

los cambios en la anatomía de las plantas al secarse

and their ultrastructure.

y su ultraestructura.

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

Vemos el transcriptoma, que es solo un término para una tecnología

con la que analizamos los genes

in which we look at the genes

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

que se activan o se apagan por la desecación.

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

La mayoría de los genes codifican proteínas, así que vemos el proteoma.

What are the proteins made in response to drying?

¿Cuáles son las proteínas producidas en respuesta al secado?

Some proteins would code for enzymes which make metabolites,

Algunas proteínas codifican enzimas que hacen metabolitos,

so we look at the metabolome.

así que nos fijamos en el metaboloma.

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

Esto es importante porque las plantas están sujetas al suelo.

They use what I call a highly tuned chemical arsenal

Utilizan lo que yo llamo un arsenal químico altamente sintonizado

to protect themselves from all the stresses of their environment.

para protegerse de todas las tensiones de su entorno.

So it's important that we look

Así que es importante ver

at the chemical changes involved in drying.

los cambios químicos implicados en el secado.

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

Y en el último estudio que hacemos a nivel molecular,

we look at the lipidome --

nos fijamos en el lipidome,

the lipid changes in response to drying.

el lípido cambia en respuesta al secado.

And that's also important

Y eso es también importante

because all biological membranes are made of lipids.

porque todas las membranas biológicas están hechas de lípidos.

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

Se usan como membranas porque están en el agua.

Take away the water, those membranes fall apart.

Al quitar el agua, estas membranas se destruyen.

Lipids also act as signals to turn on genes.

Los lípidos también actúan como señales para activar genes.

Then we use physiological and biochemical studies

Luego usamos estudios fisiológicos y bioquímicos

to try and understand the function of the putative protectants

para tratar de entender la función de los protectores putativos

that we've actually discovered in our other studies.

que descubrimos en nuestros otros estudios.

And then use all of that to try and understand

Y entonces utilizamos todo eso para tratar de entender

how the plant copes with its natural environment.

cómo la planta enfrenta su entorno natural.

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

Siempre he tenido la filosofía de que necesitaba una comprensión global

of the mechanisms of desiccation tolerance

de los mecanismos de tolerancia a la desecación

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

para hacer una aportación significativa para una aplicación biótica.

Estoy segura de que algunos están pensando,

I'm sure some of you are thinking,

"By biotic application,

"Mediante recurso biótico,

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

¿significa que va a hacer cultivos modificados genéticamente?"

And the answer to that question is:

Y la respuesta es:

depends on your definition of genetic modification.

depende de su definición de modificación genética.

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

Todos los cultivos que comemos hoy en día, trigo, arroz, maíz,

are highly genetically modified from their ancestors,

están muy modificados genéticamente de sus antepasados,

but we don't consider them GM

pero no los consideramos así

because they're being produced by conventional breeding.

porque se producen con el cultivo convencional.

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

Si se refieren a poner genes de plantas de resurrección en los cultivos,

your answer is yes.

la respuesta es sí.

Durante todo este tiempo, hemos usado ese enfoque.

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

More appropriately, some of my collaborators at UCT,

Más precisamente, algunos de mis colaboradores en la UCT,

Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen,

Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen,

han encabezado este enfoque

have spearheaded that approach

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

y voy a mostrarles algunos datos pronto.

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

Pero estamos a punto de embarcarnos en un enfoque muy ambicioso,

in which we aim to turn on whole suites of genes

en la que tratamos de activar grupos enteros de genes

that are already present in every crop.

que ya están presentes en todos los cultivos.

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

Nunca están encendidos en condiciones de sequía extrema.

I leave it up to you to decide

Por lo que deben decidir

whether those should be called GM or not.

si se deben llamar GM o no.

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

Les daré algunos de los datos de ese primer acercamiento.

And in order to do that

Y para hacer eso

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

tengo que explicar un poco cómo funcionan los genes.

Como todos sabemos,

So you probably all know

that genes are made of double-stranded DNA.

los genes están hechos de ADN de doble cadena.

It's wound very tightly into chromosomes

Se enrolla muy estrechamente en los cromosomas,

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

están en todas las células de su cuerpo o en el cuerpo de una planta.

If you unwind that DNA, you get genes.

Al desenrollar el ADN, se obtiene los genes.

And each gene has a promoter,

Y cada gen tiene un promotor,

which is just an on-off switch,

que es un interruptor de encendido y apagado,

the gene coding region,

la región de la codificación del gen,

and then a terminator,

y también un terminador,

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

que indica el final de este gen y que el siguiente gen inicia.

Now, promoters are not simple on-off switches.

Los promotores no son solo interruptores de encendido y apagado.

They normally require a lot of fine-tuning,

Por lo general requieren una afinación fina,

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

muchas cosas deben estar presentes y bien antes de encender el gen.

So what's typically done in biotech studies

Lo que se hace típicamente en los estudios de biotecnología

is that we use an inducible promoter,

es usar un promotor inducible

we know how to switch it on.

que sabemos cómo encenderlo.

We couple that to genes of interest

Lo aparejamos a los genes de interés,

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

lo colocamos en una planta y vemos cómo responde la planta.

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

En el estudio del que les voy a hablar

my collaborators used a drought-induced promoter,

mis colaboradores utilizaron un promotor inducido por la sequía,

which we discovered in a resurrection plant.

que descubrimos en una planta de resurrección.

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

Lo bueno de este promotor es que no hacemos nada.

The plant itself senses drought.

La planta en sí detecta la sequía.

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

Con esto llevamos genes antioxidantes de las plantas de resurrección.

Why antioxidant genes?

¿Por qué genes antioxidantes?

Well, all stresses, particularly drought stress,

Bueno, todo el estrés, sobre todo la sequía,

results in the formation of free radicals,

resulta en la formación de radicales libres,

o especies reactivas de oxígeno,

or reactive oxygen species,

which are highly damaging and can cause crop death.

que son altamente perjudiciales y puede causar la muerte de los cultivos.

What antioxidants do is stop that damage.

Lo antioxidantes detienen el daño.

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

Estos son algunos datos de una cepa de maíz muy usada en África.

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

A la izquierda de la flecha están las plantas sin los genes,

to the right --

a la derecha,

plants with the antioxidant genes.

plantas con genes antioxidantes.

After three weeks without watering,

Después de tres semanas sin riego,

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

los que tienen los genes se recuperan mucho mejor.

Now to the final approach.

Para el enfoque final.

My research has shown that there's considerable similarity

Mi investigación ha demostrado que hay una considerable similitud

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

en los mecanismos de tolerancia a la desecación

en semillas y plantas de resurrección. Así que me hice la pregunta,

So I ask the question,

are they using the same genes?

¿utilizan los mismos genes?

Or slightly differently phrased,

O parafraseado,

are resurrection plants using genes evolved in seed desiccation tolerance

¿las plantas de resurrección evolucionaron semillas con genes

tolerantes a la desecación en sus raíces y hojas?

in their roots and leaves?

Have they retasked these seed genes

¿Han reasignado la tarea de estos genes de semillas

in roots and leaves of resurrection plants?

en las raíces y las hojas de las plantas de resurrección?

And I answer that question,

Y respondo a esa pregunta,

as a consequence of a lot of research from my group

gracias a una gran cantidad de investigación de mi grupo

y recientes colaboraciones de un grupo de Henk Hilhorst en los Países Bajos,

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

Mel Oliver in the United States

Mel Oliver en los Estados Unidos

and Julia Buitink in France.

y Julia Buitink en Francia.

The answer is yes,

La respuesta es sí,

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

hay un conjunto básico de genes que están involucrados en ambos.

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

Voy a ilustrar esto muy crudamente para el maíz,

where the chromosomes below the off switch

donde los cromosomas desactivados

represent all the genes that are required for desiccation tolerance.

representan todos los genes requeridos para tolerar la desecación.

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

Al secarse las semillas de maíz, al final de su período de desarrollo,

they switch these genes on.

se activan estos genes.

Resurrection plants switch on the same genes

Las plantas de resurrección activan los mismos genes

when they dry out.

cuando se secan.

All modern crops, therefore,

Todos los cultivos modernos, por lo tanto,

have these genes in their roots and leaves,

tienen estos genes en sus raíces y hojas,

they just never switch them on.

pero nunca los activan.

They only switch them on in seed tissues.

Solo se encienden en los tejidos de semillas.

So what we're trying to do right now

Lo que estamos tratando de hacer ahora

is to understand the environmental and cellular signals

es entender las señales ambientales y celulares

that switch on these genes in resurrection plants,

que activan estos genes en plantas de resurrección,

to mimic the process in crops.

para imitar el proceso en los cultivos.

And just a final thought.

Un pensamiento final.

What we're trying to do very rapidly

Lo que estamos tratando de hacer rapidamente es repetir

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

lo que la naturaleza hizo en la evolución con las plantas de resurrección

some 10 to 40 million years ago.

hace entre 10 y 40 millones de años.

My plants and I thank you for your attention.

Mis plantas y yo les damos las gracias por su atención.

(Applause)

(Aplausos)