How we can make crops survive without water | Jill Farrant

翻訳: Reiko Bovee 校正: Mai O

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

世界の安定した食料確保を これから約束してくれる

干ばつに非常に強い作物を 生産する鍵は

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

lies in resurrection plants,

復活植物にあると私は信じています

pictured here, in an extremely droughted state.

この写真は 極限の乾燥地帯にある植物です

You might think that these plants look dead,

これらは枯死してしまっている様ですが

but they're not.

そうではありません

Give them water,

水を与えると

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

12〜48時間で復活し 青々と成長し始めます

Now, why would I suggest

この提案の理由 —

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

食料確保に干ばつ耐性のある作物を 提案する理由は 何でしょう？

Well, the current world population is around 7 billion.

今や世界人口は 約70億人です

And it's estimated that by 2050,

2050年までには

we'll be between 9 and 10 billion people,

90〜100億人になり

with the bulk of this growth happening in Africa.

その多くはアフリカに集中すると 推定されています

The food and agricultural organizations of the world

世界中の食料農業機関は

have suggested that we need a 70 percent increase

その需要を満たす為には

農業生産量を70%増産する必要があると

in current agricultural practice

to meet that demand.

提言しています

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

植物が 食物連鎖の最底辺に あるのを見て分かるように

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

私たちの食物の大半は 植物ですから当然です

That percentage of 70 percent

先程の70%には

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

気候変動の影響は 考慮に入れてありません

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

これは2011年に掲載された アイグオ・ダイの研究からの引用です

気候変動から起こりうる

where he took into consideration

全ての影響を考慮した さまざまな結果の中で

all the potential effects of climate change

and expressed them -- amongst other things --

雨が降らない あるいは降雨日数が足りず―

increased aridity due to lack of rain or infrequent rain.

乾燥化する場所として示されています

The areas in red shown here,

赤で示されている地域は

are areas that until recently

最近まで

have been very successfully used for agriculture,

農耕地として利用されていましたが

but cannot anymore because of lack of rainfall.

雨量不足から それが出来なくなりました

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

これは2050年を予測したものです

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

アフリカが というより世界の大半が

is going to be in trouble.

危機を迎えるでしょう

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

何らかの効果的な食料生産方法を 考えなくてはなりません

And preferably among them, some drought-tolerant crops.

その中でも好適なのが 干ばつ耐性のある植物です

The other thing to remember about Africa is

アフリカで忘れてならないのは

that most of their agriculture is rainfed.

殆どの地域の農業は 降水に頼っていることです

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

干ばつ耐性のある作物を作出する事は 簡単なことではありません

And the reason for this is water.

その理由は水です

Water is essential to life on this planet.

水は地球の生物には欠かせません

All living, actively metabolizing organisms,

常に代謝を繰り返している全ての生物 —

from microbes to you and I,

微生物からヒトに至るまで

are comprised predominately of water.

生命体の主な構成物質は水です

All life reactions happen in water.

水で生命は息づき

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

少しでも水が無くなると 死に至る生命体もあります

You and I are 65 percent water --

ヒトは 水分含有率は65%で

we lose one percent of that, we die.

その１%を失うと死に至ります

But we can make behavioral changes to avoid that.

私たちは それを 行動により 回避出来ますが

Plants can't.

植物は それが出来ません

They're stuck in the ground.

地面に根を張ったままです

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

植物は 水分含有率が約95%と

about 95 percent water,

ヒトよりも高く

and they can lose a little bit more than us,

種にもよりますが ヒトよりも多くの水分—

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

10〜70%程を失っても 生き延びることが出来ます

あくまでも短期間だけですが

but for short periods only.

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

殆どの植物は 水分の損失に抵抗し 回避しようとします

So extreme examples of resistors can be found in succulents.

その極端な例は多肉植物に見られます

They tend to be small, very attractive,

多肉植物は小さく美しいものが多いのですが

but they hold onto their water at such great cost

水分保持の為には犠牲も伴い

that they grow extremely slowly.

成長が非常にゆっくりになります

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

水の消失を回避する例は 木や低木で見られます

根を地中に伸ばし

They send down very deep roots,

mine subterranean water supplies

地下深くから摂取した水分を

and just keep flushing it through them at all times,

常時 体中に送り込み

keeping themselves hydrated.

水分補給しています

The one on the right is called a baobab.

右はバオバブという植物で

It's also called the upside-down tree,

“上下逆さまの木”と呼ばれ

simply because the proportion of roots to shoots is so great

根と幹のプロポーションが

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

まるで上下逆さにしたかの様です

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

もちろん 根は植物が 吸水するのに必要なものです

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

水分消失を避けるためのよくある 「植物の知恵」は一年草で見られます

Annuals make up the bulk of our plant food supplies.

一年草は 私たちの植物性食物の 多くを占めています

Up the west coast of my country,

米国の西海岸沿いでは

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

年間それ程の植物は 生育していないようでも

But come the spring rains, you get this:

春に雨が降ると

このように砂漠にも花が咲きます

flowering of the desert.

The strategy in annuals,

一年草植物の知恵とは―

is to grow only in the rainy season.

雨季だけに成長するということです

At the end of that season they produce a seed,

雨季の終わりには 種子をつくります

which is dry, eight to 10 percent water,

種子の水分含有率は8〜10%で 乾燥した状態ですが

but very much alive.

生命力一杯です

And anything that is that dry and still alive,

乾燥し それでも命ある物は

we call desiccation-tolerant.

乾燥耐性があるといいます

In the desiccated state,

種子は乾燥状態のまま

what seeds can do is lie in extremes of environment

過酷な環境の中

for prolonged periods of time.

長い間じっとしているしかありません

The next time the rainy season comes,

次の雨季が来たときに

they germinate and grow,

種子は発芽し

and the whole cycle just starts again.

命のサイクルを再開します

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

乾燥耐性をもつ種子の進化により

花をつける顕花植物が繁殖し

allowed the colonization and the radiation

of flowering plants, or angiosperms, onto land.

陸地に拡がるようになったと 考えられています

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

では 私たちの主な食物源である 一年草に戻りましょう

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

植物性食物の95%を占めている 小麦､米､トウモロコシが

And it's been a great strategy

非常に都合がいいのは

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

短期間に種子を 大量に生産できるからです

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

種子には カロリーが 凝縮されているので

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

豊作の時に干ばつに備え 蓄えて置けます

but there's a downside.

しかし ある問題があります

The vegetative tissues,

栄養組織である

the roots and leaves of annuals,

一年草の根や葉は

do not have much

乾燥に対する特性 —

by way of inherent resistance, avoidance or tolerance characteristics.

耐性､ 回避性､ 抵抗性を 持っていないのです

They just don't need them.

その必要性がないのは

They grow in the rainy season

雨季に生育し

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

その年を生き抜くための 種子を得てきたからです

And so despite concerted efforts in agriculture

農業における協調努力で

to make crops with improved properties

その３つの特性が向上した

of resistance, avoidance and tolerance --

農作物を作ろうとしても —

particularly resistance and avoidance

特に抵抗性と回避性の働きが

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

我々のモデルで良く分るのですが —

we still get images like this.

まだ こんな感じです

Maize crop in Africa,

アフリカのトウモロコシです

two weeks without rain

２週間 雨が降らず

and it's dead.

枯死しています

There is a solution:

この解決策は

resurrection plants.

復活植物にあります

These plants can lose 95 percent of their cellular water,

復活植物は95%の水分を 失うことにも耐えられ

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

何ヶ月も何年もの間 乾燥し枯死したような状態で生き続けます

and give them water,

そして 水を与えると

they green up and start growing again.

青々とし また成長し始めるのです

Like seeds, these are desiccation-tolerant.

種子のように乾燥耐性があり

Like seeds, these can withstand extremes of environmental conditions.

過酷な環境にも耐えられます

And this is a really rare phenomenon.

この様な稀な特質を持つ被子植物は

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

世界に135種しかありません

I'm going to show you a video

そのビデオをお見せします

of the resurrection process of these three species

３種の復活植物が蘇る過程です

in that order.

左から順を追って行きます

And at the bottom,

下の時間軸で

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

どんなに早く復活するかが分かります

(Applause)

（拍手）

Pretty amazing, huh?

驚きですよね？

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

私は この復活植物のメカニズムを 21年間研究してきました

How do these plants dry without dying?

どのように復活植物は死なずに 乾燥するのでしょう？

And I work on a variety of different resurrection plants,

私はいくつかの理由で ここにあるような

shown here in the hydrated and dry states,

様々な異なる種類、状態の

for a number of reasons.

復活植物を研究しています

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

その理由の一つは これらの植物どれもが

干ばつ耐性を持つ作物の モデルとして役立つからです

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

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

例えば ずっと左上にある

it's called Eragrostis nindensis,

エラグロスティスニンデンシス

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

この近縁のエラグロスティステフという

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

皆さんもご存知のテフとして知られている

it's a staple food in Ethiopia,

無グルテンの

it's gluten-free,

エチオピアの主食です

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

これに干ばつ耐性を 付与したいと我々は考えています

The other reason for looking at a number of plants,

こんな植物を色々探している他の理由は —

is that, at least initially,

少なくとも最初は

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

種子と乾燥耐性のある植物は 同じ働きをしているのか

Do they all use the same mechanisms

両方とも同じような機構で

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

水分損失後も生命を保っているのか 調べたかったからです

So I undertook what we call a systems biology approach

そこで乾燥耐性を包括的に理解するため

in order to get a comprehensive understanding

いわゆる システム生物学のアプローチを使いました

of desiccation tolerance,

いわゆる システム生物学のアプローチを使いました

in which we look at everything

つまり 分子レベルから

from the molecular to the whole plant, ecophysiological level.

植物全体の 生態生理学的レベルまで見て行きます

For example we look at things like

例えば

changes in the plant anatomy as they dried out

乾燥する過程での 植物解剖学的変化や

and their ultrastructure.

超微細構造を調べます

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

専門用語で言うトランスクリプトーム解析で

乾燥に反応して

in which we look at the genes

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

活性化または抑制される遺伝子を調べます

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

次に殆どの遺伝子はタンパク質を コードするのでプロテオーム解析で

What are the proteins made in response to drying?

どんなタンパク質が 乾燥過程で出来るのか調べます

Some proteins would code for enzymes which make metabolites,

代謝産物を作る酵素を コードするタンパク質もあるので

so we look at the metabolome.

次にするメタボローム解析は

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

土から離れられない植物にとって重要です

They use what I call a highly tuned chemical arsenal

私が「高度に調節された化学兵器」 と呼ぶ機構を使い

to protect themselves from all the stresses of their environment.

植物は 全ての環境ストレスから 身を守っているので

So it's important that we look

乾燥過程で起きる

at the chemical changes involved in drying.

植物内の化学変化を調べる事は重要です

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

分子レベルでする最後の段階では

we look at the lipidome --

リピドームの変化 —

the lipid changes in response to drying.

乾燥に反応して起きる脂質の変化を調べます

And that's also important

これもまた重要なのは

because all biological membranes are made of lipids.

生物の膜組織は脂質で 出来ているからです

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

膜組織として脂質があるのは 水の中だからであり

Take away the water, those membranes fall apart.

その水を取り除けば 膜組織は崩れてしまいます

Lipids also act as signals to turn on genes.

脂質は 遺伝子をオンにする シグナルとしても働きます

Then we use physiological and biochemical studies

最後に 生理学・生化学的研究を行って

to try and understand the function of the putative protectants

我々の他の研究で発見して 保護剤と推定した物質の

that we've actually discovered in our other studies.

機能を調べます

And then use all of that to try and understand

これら全ての結果から 植物が自然環境に

how the plant copes with its natural environment.

どう対処をしているか 理解することが出来ます

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

この様に乾燥耐性機構を 包括的に理解すべきだと

of the mechanisms of desiccation tolerance

私が常に考えているのは

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

応用生命科学に 有意義な提案をするためです

と言うと こう思う方もいらっしゃるでしょう

I'm sure some of you are thinking,

"By biotic application,

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

「応用生命科学？

彼女は遺伝子組み換え作物を 作る積もりなのだろうか？」と

And the answer to that question is:

その答えは

depends on your definition of genetic modification.

遺伝子組み換えを どう定義するかによります

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

私たちが食するすべての穀物 小麦､米､トウモロコシ等は

are highly genetically modified from their ancestors,

原始の姿からすると 高度に遺伝子操作されています

but we don't consider them GM

それが遺伝子組換えだと 見なされないのは

because they're being produced by conventional breeding.

従来の育種法によって 行われて来たからです

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

では 「復活植物の遺伝子を作物に？」 と尋ねられれば

your answer is yes.

その答えはイエスです

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

早速 我々はそれを試して見ました

More appropriately, some of my collaborators at UCT,

正確には UCTの共同研究者

Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen,

ジェニファー・トムソン スハイル・ラフディーンが

have spearheaded that approach

このアプローチの指揮を執りました

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

データをこれからお見せします

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

我々が今から取り掛かろうとしている 非常に野心的な方法は

in which we aim to turn on whole suites of genes

作物全てに既に備わっている全遺伝子群を

that are already present in every crop.

オンにするのが目標です

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

これまで極度の干ばつ状態で 発現したことがなかっただけです

I leave it up to you to decide

これが 遺伝子組換えかどうかは 皆さんのお考えにお任せします

whether those should be called GM or not.

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

最初の手法から得たデータを 幾つかお見せしますが

And in order to do that

その前に

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

遺伝子がどのように働くのか 少し説明します

So you probably all know

皆さんもご存知でしょうが

that genes are made of double-stranded DNA.

遺伝子は ２本鎖DNAの中にあり

It's wound very tightly into chromosomes

そのDNAが 中にしっかりと巻かれた染色体が

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

ヒトにも植物にも 全ての細胞にあります

If you unwind that DNA, you get genes.

DNAを引き延ばしてみると 遺伝子があり

And each gene has a promoter,

その１つ１つにプロモーターという

which is just an on-off switch,

遺伝子を制御する

the gene coding region,

遺伝子コーディング領域があり

and then a terminator,

端にはターミネーターという

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

転写の終結を示し そこから 次の遺伝子へ移る末端があります

Now, promoters are not simple on-off switches.

プロモーターは 遺伝子を制御する スイッチというだけではなく

They normally require a lot of fine-tuning,

遺伝子発現の前にかなりの微調節や

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

様々な正しい転写因子を必要とします

So what's typically done in biotech studies

バイオ技術における研究では

is that we use an inducible promoter,

一般に誘導性プロモーターを使い

we know how to switch it on.

遺伝子を発現させます

We couple that to genes of interest

我々は それを標的の遺伝子と共役させ

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

植物に導入し植物が どう反応するか見ます

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

これからお話しする研究では

my collaborators used a drought-induced promoter,

私の共同研究者は 我々が復活植物に発見した

which we discovered in a resurrection plant.

乾燥誘導性プロモーターを使いました

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

このプロモーターの便利なところは 我々が何もしなくとも

The plant itself senses drought.

植物は干ばつを感じ取るのです

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

それを使い復活植物から 抗酸化遺伝子を単離しました

Why antioxidant genes?

抗酸化遺伝子が大切なのは

Well, all stresses, particularly drought stress,

全てのストレス 特に乾燥ストレスで

results in the formation of free radicals,

遊離基 ー

非常に有害な活性酸素種が生成され

or reactive oxygen species,

which are highly damaging and can cause crop death.

作物を駄目にしてしまう可能性があり

What antioxidants do is stop that damage.

抗酸化物質はそのダメージを防ぐからです

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

これはアフリカで広く作られている トウモロコシの品種から得たデータです

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

矢印の左は 抗酸化遺伝子の無い植物で

to the right --

右は

plants with the antioxidant genes.

抗酸化遺伝子があります

After three weeks without watering,

３週間水を与えなくとも

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

抗酸化遺伝子のある方は はるかに元気です

Now to the final approach.

最終的に

My research has shown that there's considerable similarity

我々の研究で 種子と復活植物の乾燥耐性機構が

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

非常に良く似ている事が分かりました

両者は同じ遺伝子を

So I ask the question,

使っているのでしょうか？

are they using the same genes?

Or slightly differently phrased,

少し表現を変え

are resurrection plants using genes evolved in seed desiccation tolerance

復活植物は種子にある 乾燥耐性が進化した遺伝子を

根や葉に使っているのか？

in their roots and leaves?

Have they retasked these seed genes

種子の遺伝子が復活植物の根や葉にも 働いているのでしょうか？

in roots and leaves of resurrection plants?

And I answer that question,

それにお答えします

as a consequence of a lot of research from my group

我々グループの研究と

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

オランダのヘンク・ヒルホースト

Mel Oliver in the United States

USのメル・オリバー

and Julia Buitink in France.

仏のジュリア・バティンク等との 最近の共同研究から

The answer is yes,

その答えはイエスです

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

両方に関わる 核となる遺伝子があるのです

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

これをトウモロコシで 簡単に説明します

where the chromosomes below the off switch

抑制スイッチの下にある トウモロコシの染色体は

represent all the genes that are required for desiccation tolerance.

乾燥耐性に必要な 全ての遺伝子を含んでいます

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

トウモロコシの種子が 成熟し乾燥してしまうと

they switch these genes on.

この遺伝子が発現します

Resurrection plants switch on the same genes

復活植物は その同じ遺伝子のスイッチを

when they dry out.

乾燥してしまった時入れます

All modern crops, therefore,

つまり現代の全ての作物は

have these genes in their roots and leaves,

根や葉にも この遺伝子があるのですが

they just never switch them on.

そのスイッチが入った事がないだけで

They only switch them on in seed tissues.

種子の組織にしか起動させていないのです

So what we're trying to do right now

今 我々は

is to understand the environmental and cellular signals

そんな遺伝子にスイッチを入れる

that switch on these genes in resurrection plants,

復活植物の細胞や環境のシグナルを理解し

農作物で再現しようと試みています

to mimic the process in crops.

And just a final thought.

最後に一言

What we're trying to do very rapidly

我々は

自然が復活植物の進化の過程において

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

１から４千万年間掛けて成した事を 猛スピードで再現しているのです

some 10 to 40 million years ago.

My plants and I thank you for your attention.

ありがとうございました

(Applause)

（拍手）