How we can make crops survive without water | Jill Farrant

Traduttore: Massimo Bidussi Revisore: Ciro Cibelli

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

Credo che il segreto per produrre colture molto resistenti alla siccità,

che potrebbero in qualche modo portare la sicurezza alimentare nel mondo,

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

lies in resurrection plants,

risieda nelle "piante della resurrezione",

pictured here, in an extremely droughted state.

raffigurate qui, in uno stato di estrema mancanza d'acqua.

You might think that these plants look dead,

Potreste pensare che queste piante siano morte,

but they're not.

ma non lo sono.

Give them water,

Dategli dell'acqua,

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

e risorgeranno, si rinverdiranno, cominceranno a crescere, in 12-48 ore.

Now, why would I suggest

Ora, perchè suggerirei l'idea

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

che produrre colture resistenti alla siccità

ci condurrà alla sicurezza alimentare?

Well, the current world population is around 7 billion.

Beh, l'attuale popolazione mondiale si aggira sui 7 miliardi.

And it's estimated that by 2050,

E si stima che entro il 2050,

we'll be between 9 and 10 billion people,

saremo tra i 9 e i 10 miliardi di persone,

with the bulk of this growth happening in Africa.

con la maggior parte di questa crescita concentrata in Africa.

The food and agricultural organizations of the world

Le organizzazoni mondiali per il cibo e l'agricoltura

have suggested that we need a 70 percent increase

hanno suggerito che avremo bisogno di una crescita del 70%

in current agricultural practice

nelle attuali pratiche agricole

to meet that demand.

per soddisfare quella domanda.

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

Dato che le piante sono alla base della catena alimentare,

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

la maggior parte dovrà provenire dalle piante.

That percentage of 70 percent

Questa percentuale del 70%

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

non prende in considerazione gli eventuali effetti dei cambiamenti climatici.

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

Questa immagine proviene da uno studio di Dai pubblicato nel 2011,

where he took into consideration

nel quale prese in considerazione

all the potential effects of climate change

tutti i potenziali effetti dei cambiamenti climatici

and expressed them -- amongst other things --

e dichiarò che, tra le altre cose,

increased aridity due to lack of rain or infrequent rain.

ci sarà una maggiore aridità dovuta alla mancanza

o riduzione delle precipitazioni.

The areas in red shown here,

Le aree in rosso mostrate qui,

are areas that until recently

sono aree che fino a poco tempo fa

have been very successfully used for agriculture,

erano proficuamente usate per l'agricoltura,

but cannot anymore because of lack of rainfall.

ma non possono più esserlo a causa della scarsità delle piogge.

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

Questa è la situazione prevista per il 2050.

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

La maggior parte dell'Africa, di fatto, la maggior parte del mondo,

is going to be in trouble.

si troverà nei guai.

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

Dovremo pensare a dei modi molto intelligenti di produrre cibo.

And preferably among them, some drought-tolerant crops.

E preferibilmente tra questi, alle piante resistenti alla siccità.

The other thing to remember about Africa is

L'altra cosa da ricordare sull'Africa è

che la maggior parte della loro agricoltura

that most of their agriculture is rainfed.

è irrigata con la pioggia.

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

Ora, creare piante resistenti alla siccità non è la cosa più facile del mondo.

And the reason for this is water.

E la ragione è l'acqua.

Water is essential to life on this planet.

L'acqua è essenziale per la vita su questo pianeta.

All living, actively metabolizing organisms,

Tutti gli organismi viventi, con un metabolismo attivo,

from microbes to you and I,

dai microbi a voi e me,

are comprised predominately of water.

sono composti principalmente da acqua.

All life reactions happen in water.

Tutte le reazioni vitali accadono in acqua.

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

E una perdita di una piccola quantità di acqua porta alla morte.

You and I are 65 percent water --

Voi ed io siamo composti al 65% d'acqua.

we lose one percent of that, we die.

Se ne perdiamo l'1%, moriamo.

But we can make behavioral changes to avoid that.

Ma possiamo cambiare il nostro comportamento per evitarlo.

Plants can't.

Le piante non possono.

They're stuck in the ground.

Sono legate al terreno.

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

Perciò in primo luogo hanno un po' più d'acqua rispetto a noi,

about 95 percent water,

circa il 95% di acqua,

and they can lose a little bit more than us,

e possono perderne un po' più di noi,

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

dal 10 al 70%, a seconda della specie,

but for short periods only.

ma solo per brevi periodi.

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

La maggior parte cercherà di resistere o di evitare la perdita d'acqua.

So extreme examples of resistors can be found in succulents.

Un ottimo esempio di resistenza può essere trovato nelle piante grasse.

They tend to be small, very attractive,

Tendono ad essere piccole, molto belle,

but they hold onto their water at such great cost

ma si tengono stretta la propria acqua al prezzo di crescere molto lentamente.

that they grow extremely slowly.

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

Esempi di contenimento della perdita d'acqua si trovano tra alberi e cespugli.

Incastrano al suolo radici molto profonde,

They send down very deep roots,

mine subterranean water supplies

estraggono risorse d'acqua sotterranee

and just keep flushing it through them at all times,

e la fanno fluire al loro interno in ogni momento,

keeping themselves hydrated.

mantenendosi idratate.

The one on the right is called a baobab.

Quello a destra è chiamato Baobab.

It's also called the upside-down tree,

Anche conosciuto come l'albero a testa in giù,

simply because the proportion of roots to shoots is so great

semplicemente perchè la proporzione delle radici rispetto ai rami è tanto grande

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

da far sembrare che l'albero sia stato piantato a testa in giù.

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

E ovviamente le radici sono necessarie per l'idratazione della pianta.

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

E probabilmente la strategia più comune di contenimento

si trova nelle piante annuali.

Annuals make up the bulk of our plant food supplies.

Le annuali costituiscono la maggior parte del nostre risorse di piante alimentari.

Up the west coast of my country,

Sulla costa occidentale del mio paese,

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

per la maggior parte dell'anno non si osserva una grande crescita vegetale.

But come the spring rains, you get this:

Ma all'arrivo delle piogge primaverili, si ottiene questo:

flowering of the desert.

la fioritura del deserto.

The strategy in annuals,

La strategia nelle annuali,

is to grow only in the rainy season.

è quella di crescere solo nella stagione piovosa.

At the end of that season they produce a seed,

Alla fine di quella stagione producono un seme,

which is dry, eight to 10 percent water,

che è secco, dall'8 al 10% di acqua,

but very much alive.

ma molto attivo.

And anything that is that dry and still alive,

E tutto ciò che è così secco ma comunque attivo,

we call desiccation-tolerant.

è ritenuto resistente all'essicazione.

In the desiccated state,

Nello stato essiccato,

what seeds can do is lie in extremes of environment

quello che i semi possono fare è giacere agli estremi dell'ambiente

for prolonged periods of time.

per lunghi periodi di tempo.

The next time the rainy season comes,

La volta successiva in cui una pioggia estiva arriva,

they germinate and grow,

germogliano e crescono,

and the whole cycle just starts again.

e l'intero ciclo semplicemente ricomincia.

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

È opinione condivisa che l'evoluzione delle piante resistenti alla siccità

allowed the colonization and the radiation

abbia permesso la colonizzazione e la diffusione

of flowering plants, or angiosperms, onto land.

delle piante da fioritura, o angiosperme, sulla terraferma.

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

Ma torniamo alle piante annuali, cioè alla nostra scorta alimentare.

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

Grano, riso e mais costituiscono il 95% delle nostre scorte di cibo vegetali.

And it's been a great strategy

Ed è un'ottima strategia

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

perché in un breve periodo di tempo se ne posso produrre molti semi.

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

I semi sono ricchi di energia, hanno molte calorie,

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

e possiamo conservarli in tempi di abbondanza per tempi di magra,

but there's a downside.

ma c'è un lato negativo.

The vegetative tissues,

I tessuti vegetali,

the roots and leaves of annuals,

le radici e le foglie delle annuali,

do not have much

non hanno molto

by way of inherent resistance, avoidance or tolerance characteristics.

in termini di resistenza connaturata, contenimento e tolleranza.

They just don't need them.

Semplicemente non ne hanno bisogno.

They grow in the rainy season

Crescono nella stagione piovosa

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

e hanno un seme che le aiuta a sopravvivere il resto dell'anno.

And so despite concerted efforts in agriculture

E quindi nonostante gli sforzi in agricoltura

to make crops with improved properties

per creare colture con migliori proprietà

of resistance, avoidance and tolerance --

di resistenza, contenimento e tolleranza –

particularly resistance and avoidance

soprattutto di resistenza e contenimento

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

perché abbiamo avuto buoni modelli per capire come funzionano –

we still get images like this.

ancora abbiamo immagini come questa.

Maize crop in Africa,

Piante di mais in Africa,

two weeks without rain

due settimane senza pioggia

and it's dead.

e sono morte.

There is a solution:

C'è una soluzione:

resurrection plants.

le piante della resurrezione.

These plants can lose 95 percent of their cellular water,

Queste piante possono perdere il 95% della loro acqua cellulare,

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

rimanere in uno stato secco, simile alla morte, da mesi ad anni,

and give them water,

e dandogli acqua,

they green up and start growing again.

rinverdiscono e ricominciano a crescere.

Like seeds, these are desiccation-tolerant.

Come i semi, sono resistenti alla siccità.

Like seeds, these can withstand extremes of environmental conditions.

Come i semi, possono sopportare condizioni ambientali estreme.

And this is a really rare phenomenon.

Ed questo è un fenomeno molto raro.

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

Ci sono solo 135 specie di piante da fioritura che possono farlo.

I'm going to show you a video

Vi voglio mostrare un video

of the resurrection process of these three species

del processo di resurrezione di queste tre specie in quest'ordine.

in that order.

And at the bottom,

E sul fondo

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

c'è un'asse del tempo in modo che possiate vedere quanto velocemente accade.

(Applause)

(Applausi)

Pretty amazing, huh?

Straordinario, eh?

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

Ho passato gli ultimi 21 anni cercando di capire come possano farlo.

How do these plants dry without dying?

Come possono queste piante seccare senza morire?

And I work on a variety of different resurrection plants,

Lavoro su una serie di piante della resurrezione,

shown here in the hydrated and dry states,

mostrate qui nello stato idratato e secco,

for a number of reasons.

per una serie di ragioni.

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

Uno di questi è che ciascuna di queste piante è utile come modello

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

per una coltivazione che vorrei rendere resistente alla siccità.

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

Nell'angolo in alto a sinistra, per esempio, c'è un'erba,

it's called Eragrostis nindensis,

è chiamata Eragrostis nindensis,

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

ha un parente stretto chiamato Eragostis tef –

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

molti di voi potrebbero conoscerla come "teff" –

it's a staple food in Ethiopia,

è un alimento principale in Etiopia,

it's gluten-free,

è senza glutine,

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

ed è una pianta che ci piacerebbe rendere resistente alla siccità.

The other reason for looking at a number of plants,

L'altra ragione per osservare un certo numero di piante,

is that, at least initially,

è che, almeno all'inizio,

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

volevo capire: fanno la stessa cosa?

Do they all use the same mechanisms

Usano tutte lo stesso meccanismo

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

per essere capaci di perdere tutta l'acqua senza morire?

So I undertook what we call a systems biology approach

Quindi ho intrapreso quello che chiamiamo un approccio da "sistema biologico"

in order to get a comprehensive understanding

in modo da avere una comprensione totale

of desiccation tolerance,

della tolleranza alla siccità,

in which we look at everything

nel quale osserviamo tutto

from the molecular to the whole plant, ecophysiological level.

dal molecolare all'ecofisiologia dell'intera pianta.

For example we look at things like

Per esempio, osserviamo cose come cambiamenti nell'anatomia della pianta

changes in the plant anatomy as they dried out

and their ultrastructure.

mentre si seccano, e la loro ultrastruttura.

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

Osserviamo il transcrittoma, un termine che indica una tecnologia

in which we look at the genes

nella quale osserviamo i geni

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

che sono accesi o spenti, in seguito all'essiccazione.

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

La maggior parte dei geni codificano le proteine,

perciò osserviamo il proteoma.

What are the proteins made in response to drying?

Quali sono le proteine create in risposta all'essiccazione?

Some proteins would code for enzymes which make metabolites,

Alcune proteine codificheranno enzimi che creano metaboliti,

so we look at the metabolome.

quindi osserviamo il metaboloma.

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

Ora, questo è importante perché le piante sono attaccate al terreno.

They use what I call a highly tuned chemical arsenal

Usano quello che io chiamo un arsenale chimico super concentrato

to protect themselves from all the stresses of their environment.

per proteggersi da tutti gli stress ambientali.

So it's important that we look

Quindi è importante studiare

at the chemical changes involved in drying.

i cambiamenti chimici coinvolti nell'essicazione.

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

E nell'ultimo studio fatto a livello molecolare,

we look at the lipidome --

guardiamo al lipidoma;

the lipid changes in response to drying.

i lipidi cambiano in risposta all'essiccazione.

And that's also important

E ciò è importante

because all biological membranes are made of lipids.

perchè tutte le membrane biologiche sono fatte di lipidi.

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

Sono utilizzati come membrane perché sono immersi in acqua.

Take away the water, those membranes fall apart.

Togli l'acqua, e queste membrane si sgretolano.

Lipids also act as signals to turn on genes.

I lipidi inoltre fungono da segnali per catalizzare i geni.

Then we use physiological and biochemical studies

A questo punto usiamo studi fisiologici e biochimici

to try and understand the function of the putative protectants

per cercare di capire il ruolo degli ipotetici protettori

that we've actually discovered in our other studies.

che abbiamo scoperto nei nostri altri studi.

And then use all of that to try and understand

Usiamo tutto ciò per cercare di capire

how the plant copes with its natural environment.

come la pianta affronta il suo ambiente naturale.

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

Ho sempre avuto l'idea che avessi bisogno di una comprensione globale

of the mechanisms of desiccation tolerance

del meccanismo della tolleranza dell'essicazione

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

in modo da ricavarne una concreta proposta per un'applicazione biotecnologica.

Sono sicura che alcuni di voi stanno pensando

I'm sure some of you are thinking,

"By biotic application,

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

"Con l'applicazione biotica,

vuol dire che farà piante geneticamente modificate?"

And the answer to that question is:

E la risposta alla domanda è:

depends on your definition of genetic modification.

dipende dalla tua definizione di geneticamente modificato.

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

Tutte le colture che mangiamo, grano,riso e mais

are highly genetically modified from their ancestors,

sono altamente geneticamente modificate dai loro antenati

but we don't consider them GM

ma noi non li consideriamo GM

because they're being produced by conventional breeding.

perché sono state prodotte in maniera convenzionale.

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

Se intendete, metto geni responsabili della resurrezione

all'interno di altre piante,

your answer is yes.

la vostra risposta sarà sì.

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

Nello spirito del tempo, abbiamo provato questo approccio.

More appropriately, some of my collaborators at UCT,

Detto in maniera migliore, alcuni miei collaboratori all'UCT,

Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen,

Jennifer Thomson, Suhali Rafudeen,

have spearheaded that approach

hanno testato in anteprima questo approccio

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

e fra poco vi mostrerò alcuni dati.

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

Ma stiamo per intraprendere un approccio estremamente ambizioso

in which we aim to turn on whole suites of genes

nel quale cerchiamo di attivare un intero set di geni

that are already present in every crop.

che sono già presenti in tutte le colture.

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

Non sono mai stati attivati in condizioni di siccità estrema.

I leave it up to you to decide

Lascio a voi decidere

whether those should be called GM or not.

se questi debbano essere chiamati GM o no.

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

Ora vi darò alcuni dati ottenuti con quest'approccio.

And in order to do that

E per fare ciò

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

devo spiegare un pochino come funzionano i geni.

So you probably all know

Probabilmente tutti sanno

that genes are made of double-stranded DNA.

che i geni sono fatti di DNA a doppia elica.

It's wound very tightly into chromosomes

È pressato molto strettamente all'interno dei cromosomi

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

che sono presenti in tutte le cellule del vostro corpo o di una pianta.

If you unwind that DNA, you get genes.

Se voi srotolate questo DNA, otterrete i geni.

And each gene has a promoter,

E ogni gene ha un promotore,

which is just an on-off switch,

che è un solo interruttore,

the gene coding region,

la regione che codifica il gene,

and then a terminator,

e poi un termine,

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

che indica la fine del gene e l'inizio del prossimo.

Now, promoters are not simple on-off switches.

Ora, i promotori non sono semplici interruttori.

They normally require a lot of fine-tuning,

Normalmente richiedono molti ritocchi,

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

molte parti devono essere presenti e corrette prima che il gene venga attivato.

So what's typically done in biotech studies

Quindi ciò che si fa solitamente negli studi biotecnologici

is that we use an inducible promoter,

è di usare un promotore ad induzione,

we know how to switch it on.

sappiamo come accenderli.

We couple that to genes of interest

Lo accoppiamo a geni che ci interessano

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

e lo mettiamo dentro ad una pianta per vedere come risponde.

Nello studio di cui vi sto per parlare,

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

my collaborators used a drought-induced promoter,

i miei collaboratori hanno usato un promotore innescato dalla siccità

which we discovered in a resurrection plant.

che abbiamo trovato in una delle piante della risurrezione.

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

La cosa bella del promotore è che noi non facciamo niente.

The plant itself senses drought.

La pianta stessa sente la siccità.

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

E l'abbiamo usato per guidare geni antiossidanti

da piante della risurrezione.

Why antioxidant genes?

Perché geni antiossidanti?

Well, all stresses, particularly drought stress,

Beh, tutti gli stress, e in particolare quelli dovuti alla siccità,

results in the formation of free radicals,

portano alla formazione di radicali liberi,

or reactive oxygen species,

o specie reattive all'ossigeno

which are highly damaging and can cause crop death.

che provocano molti danni e possono portare alla morte della pianta.

What antioxidants do is stop that damage.

Ciò che fanno gli antiossidanti è bloccare questi danni.

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

Qui ci sono alcuni dati di un ceppo di mais che viene usato molto in Africa:

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

a sinistra della freccia ci sono piante senza geni;

to the right --

a destra,

plants with the antioxidant genes.

piante con geni antiossidanti.

After three weeks without watering,

Dopo tre settimane senza annaffiarle,

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

quelle con i geni hanno fatto molto meglio.

Now to the final approach.

Ora la parte finale.

My research has shown that there's considerable similarity

La mia ricerca ha mostrato che c'è una forte somiglianza

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

nei meccanismi di tolleranza al disseccamento

nei semi e nelle piante della risurrezione.

So I ask the question,

Quindi io mi domando,

are they using the same genes?

usano gli stessi geni?

Or slightly differently phrased,

O detto in altre parole,

are resurrection plants using genes evolved in seed desiccation tolerance

le piante della resurrezione usano geni, evoluti

nei semi per tollerare il disseccamento,

in their roots and leaves?

nelle radici e nelle foglie?

Have they retasked these seed genes

Hanno cambiato scopo a questi geni

in roots and leaves of resurrection plants?

nelle radici e nelle foglie delle piante della risurrezione?

And I answer that question,

Ho risposto alla domanda,

as a consequence of a lot of research from my group

come conseguenza di molte ricerche svolte dal mio gruppo,

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

e grazie alla collaborazione con il gruppo di Henk Hilhorst in Olanda,

Mel Oliver in the United States

Mel Oliver negli Stati Uniti

and Julia Buitink in France.

e Julia Buitink in Francia.

The answer is yes,

La risposta è sì,

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

c'è un nucleo di geni che sono coinvolti in entrambi.

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

E vi voglio mostrare questo nel mais,

where the chromosomes below the off switch

dove il cromosoma sotto il pulsante off

represent all the genes that are required for desiccation tolerance.

rappresenta tutti i geni necessari per la tolleranza al disseccamento.

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

Così quando i semi del mais si seccano alla fine del loro periodo di sviluppo,

they switch these genes on.

attivano questi geni.

Resurrection plants switch on the same genes

Le piante della risurrezione attivano questi stessi geni

when they dry out.

quando si seccano.

All modern crops, therefore,

Tutte le moderne colture, perciò,

have these genes in their roots and leaves,

hanno questi geni nelle loro radici e nelle foglie,

they just never switch them on.

ma non li attivano mai.

They only switch them on in seed tissues.

Li attivano solamente all'interno dei semi.

So what we're trying to do right now

Quello che stiamo cercando di fare qui

is to understand the environmental and cellular signals

è di capire i segnali ambientali e cellulari

that switch on these genes in resurrection plants,

che attivano questi geni nelle piante della risurrezione,

to mimic the process in crops.

per imitare il processo nelle altre colture.

And just a final thought.

Un'ultima cosa:

What we're trying to do very rapidly

quello che stiamo cercando di fare molto rapidamente

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

è di ripetere quello che la natura ha fatto nell'evoluzione

some 10 to 40 million years ago.

delle piante della risurrezione

circa tra i 10 e i 40 milioni di anni fa

My plants and I thank you for your attention.

Le mie piante ed io vi ringraziamo per la vostra attenzione.

(Applause)

(Applausi)