How we can make crops survive without water | Jill Farrant

Vertaald door: Dick Stada Nagekeken door: Axel Saffran

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

Ik denk dat het geheim van het kweken van zeer droogte-tolerant gewas

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

dat wellicht voor voedselzekerheid kan zorgen,

lies in resurrection plants,

in opstandingsplanten zit.

Die zie je hier in extreem droge toestand.

pictured here, in an extremely droughted state.

You might think that these plants look dead,

Je zou kunnen denken dat deze planten dood zijn,

but they're not.

maar dat is niet zo.

Give them water,

Als je ze water geeft,

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

richten ze zich weer op en gaan groeien binnen 12 tot 48 uur.

Now, why would I suggest

Waarom denk ik dat het kweken van droogte-tolerant gewas

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

voedselzekerheid zou kunnen opleveren?

De wereldbevolking is zo'n 7 miljard.

Well, the current world population is around 7 billion.

And it's estimated that by 2050,

Men voorspelt dat deze rond 2050

we'll be between 9 and 10 billion people,

zo'n 9 tot 10 miljard is,

with the bulk of this growth happening in Africa.

met de sterkste groei in Afrika.

The food and agricultural organizations of the world

De voedsel- en agrarische organisaties hebben voorspeld

have suggested that we need a 70 percent increase

dat er 70 procent groei nodig is

in current agricultural practice

van de huidige agrarische productie

to meet that demand.

om in die vraag te voorzien.

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

Planten staan aan de basis van de voedselketen

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

dus zal het grootste aandeel moeten komen van planten.

That percentage of 70 percent

In die 70 procent zijn de mogelijke gevolgen

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

van de klimaatverandering nog niet opgenomen.

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

Dit komt uit een onderzoek door Dai, gepubliceerd in 2011,

where he took into consideration

waarin hij alle mogelijke effecten van klimaatverandering meenam,

all the potential effects of climate change

and expressed them -- amongst other things --

zoals de toegenomen dorheid door gebrek aan regen.

increased aridity due to lack of rain or infrequent rain.

The areas in red shown here,

Deze rode plekken zijn gebieden

are areas that until recently

waar tot voor kort met succes aan landbouw werd gedaan,

have been very successfully used for agriculture,

but cannot anymore because of lack of rainfall.

maar nu niet meer vanwege gebrek aan regen.

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

Dit is de voorspelling voor 2050.

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

Een groot deel van Afrika,

in feite van de wereld, komt in gevaar.

is going to be in trouble.

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

We moeten slimme manieren bedenken om voedsel te produceren.

And preferably among them, some drought-tolerant crops.

Liefst ook met droogte-tolerante gewassen.

The other thing to remember about Africa is

Je moet ook onthouden over Afrika,

that most of their agriculture is rainfed.

dat de meeste landbouw er afhankelijk is van regen.

Droogte-tolerant gewas kweken is niet zo makkelijk.

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

And the reason for this is water.

Dat komt door het water.

Water is van levensbelang op deze planeet.

Water is essential to life on this planet.

All living, actively metabolizing organisms,

Alle levende organismen met stofwisseling,

from microbes to you and I,

van microben tot jij en ik,

are comprised predominately of water.

zijn voornamelijk samengesteld uit water.

All life reactions happen in water.

Bij alle biologische processen is water nodig.

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

Verlies van de minste hoeveelheid water veroorzaakt de dood.

You and I are 65 percent water --

Jij en ik zijn voor 65 procent water --

we lose one percent of that, we die.

een procent minder en we gaan dood.

But we can make behavioral changes to avoid that.

We kunnen ons wel aanpassen om dat te voorkomen.

Plants can't.

Planten kunnen dat niet.

They're stuck in the ground.

Ze zitten vast in de grond.

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

In eerste instantie hebben ze iets meer water dan wij,

about 95 percent water,

ongeveer 95 procent,

and they can lose a little bit more than us,

en ze kunnen iets meer verliezen dan wij,

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

zo'n 10 tot 70 procent, afhankelijk van welke soort,

maar slechts korte tijd.

but for short periods only.

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

De meeste zullen proberen de droogte te weerstaan of verlies te vermijden.

So extreme examples of resistors can be found in succulents.

Extreme voorbeelden van zulke bikkels vind je onder de vetplanten.

They tend to be small, very attractive,

Ze zijn vaak klein en aantrekkelijk,

but they hold onto their water at such great cost

maar ze houden water zó goed vast

that they grow extremely slowly.

dat ze extreem langzaam groeien.

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

Het beperken van waterverlies zie je bij sommige bomen en struiken.

Hun wortels groeien erg diep,

They send down very deep roots,

mine subterranean water supplies

waar ze onderaards water vinden

and just keep flushing it through them at all times,

en zich daarmee steeds blijven spoelen,

keeping themselves hydrated.

om zo vochtig te blijven.

The one on the right is called a baobab.

Aan de rechterkant zie je de baobab.

It's also called the upside-down tree,

Ook wel de onderstebovenboom genoemd,

simply because the proportion of roots to shoots is so great

omdat ze zoveel meer wortels dan takken hebben,

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

dat het lijkt of de boom omgekeerd is geplant.

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

De wortels zijn natuurlijk nodig voor de watervoorziening.

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

De meestgebruikte strategie tegen waterverlies vind je bij eenjarigen.

Annuals make up the bulk of our plant food supplies.

Eenjarigen maken het grootste deel uit van ons plantaardige voedsel.

Up the west coast of my country,

Aan de westkust van mijn land

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

zie je het grootste deel van het jaar niet veel vegetatie.

But come the spring rains, you get this:

Maar als de voorjaarsregen komt, krijg je dit:

een bloeiende woestijn.

flowering of the desert.

De strategie van eenjarigen

The strategy in annuals,

is to grow only in the rainy season.

is dat ze alleen in het regenseizoen groeien.

At the end of that season they produce a seed,

Aan het eind van dat seizoen produceren ze zaad

which is dry, eight to 10 percent water,

dat droog is, acht tot tien procent water,

but very much alive.

maar het leeft wel.

And anything that is that dry and still alive,

En alles wat zo droog is, maar wel leeft,

we call desiccation-tolerant.

noemen we verdrogingstolerant.

In the desiccated state,

In verdroogde toestand,

what seeds can do is lie in extremes of environment

kunnen de zaden in extreme omgevingen liggen

for prolonged periods of time.

gedurende langere tijd.

The next time the rainy season comes,

Als het regenseizoen dan komt,

they germinate and grow,

ontkiemen ze en groeien,

and the whole cycle just starts again.

en start de hele kringloop opnieuw.

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

Het wordt algemeen verondersteld dat de evolutie van verdrogingstolerante zaden

allowed the colonization and the radiation

kolonisatie en verspreiding mogelijk maakten

of flowering plants, or angiosperms, onto land.

van bloeiende planten of bedektzadigen op land.

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

Terug naar de eenjarigen, als belangrijkste voedselleverancier.

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

Graan, rijst en mais vormen 95 procent van ons plantaardige voedsel.

And it's been a great strategy

Het is een goede strategie

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

want in korte tijd kan je veel zaad produceren.

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

Rijk aan energie, dus met veel calorieën erin.

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

Je kan het opslaan bij overvloed voor tijden met hongersnood,

but there's a downside.

maar er is een schaduwzijde.

The vegetative tissues,

De plantaardige weefsels,

the roots and leaves of annuals,

wortels en bladeren van eenjarigen,

do not have much

hebben maar weinig aangeboren weerstand-, vermijdings- of tolerantie-eigenschappen.

by way of inherent resistance, avoidance or tolerance characteristics.

They just don't need them.

Die hebben ze niet nodig.

They grow in the rainy season

Ze groeien in het regenseizoen

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

en ze hebben zaad om de rest van het jaar te overleven.

And so despite concerted efforts in agriculture

Ondanks gezamenlijke pogingen in de landbouw

to make crops with improved properties

om gewassen te kweken met verbeterde eigenschappen

qua weerstand, vermijding en tolerantie,

of resistance, avoidance and tolerance --

particularly resistance and avoidance

vooral weerstand en vermijding

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

omdat we goede modellen hebben van de werking --

krijgen we nog steeds plaatjes als deze.

we still get images like this.

Maize crop in Africa,

Mais in Afrika,

two weeks without rain

twee weken geen regen

and it's dead.

en het is dood.

There is a solution:

Er is een oplossing:

resurrection plants.

opstandingsplanten.

These plants can lose 95 percent of their cellular water,

Deze planten kunnen 95 procent water uit hun cellen verliezen,

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

maanden tot jaren in droge, bijna-dode toestand leven.

Zodra ze water krijgen,

and give them water,

they green up and start growing again.

worden ze groen en gaan weer groeien.

Like seeds, these are desiccation-tolerant.

Net als zaden zijn ze verdrogingstolerant.

Like seeds, these can withstand extremes of environmental conditions.

Ze kunnen net als zaden tegen extreme omstandigheden.

And this is a really rare phenomenon.

Dat is een erg zeldzaam fenomeen.

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

Er zijn maar 135 soorten bloeiende planten die dat kunnen.

I'm going to show you a video

Ik laat je een filmpje zien

of the resurrection process of these three species

van het opstandingsproces van deze drie soorten

in that order.

in die volgorde.

And at the bottom,

Beneden staat een tijdas

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

zodat je kunt zien hoe snel het gebeurt.

(Applause)

(Applaus)

Pretty amazing, huh?

Wat bijzonder, hè?

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

In de afgelopen 21 jaar heb ik geprobeerd dat te begrijpen.

How do these plants dry without dying?

Hoe drogen die planten uit zonder dood te gaan?

And I work on a variety of different resurrection plants,

Ik werk met allerlei soorten opstandingsplanten,

shown here in the hydrated and dry states,

hier in volgezogen en in droge toestand,

for a number of reasons.

vanwege een aantal redenen.

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

Een ervan is dat elke plant als model fungeert

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

voor een gewas dat ik droogte-tolerant wil maken.

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

Linksboven zie je bijvoorbeeld de grassoort Eragrostis nindensis.

it's called Eragrostis nindensis,

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

Een verwante soort, Eragrostis tef,

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

kennen jullie misschien als 'teff'.

it's a staple food in Ethiopia,

Het is een basisvoedsel in Ethiopië.

it's gluten-free,

Het is glutenvrij,

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

en we willen het droogte-tolerant maken.

The other reason for looking at a number of plants,

Een andere reden om naar diverse planten te kijken

is that, at least initially,

is dat ik, vooral aanvankelijk, wilde uitzoeken of ze hetzelfde doen.

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

Do they all use the same mechanisms

Gebruiken ze hetzelfde mechanisme

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

om bij dergelijk waterverlies niet dood te gaan?

So I undertook what we call a systems biology approach

Ik gebruikte de systeembiologiebenadering

voor een goed begrip van verdrogingstolerantie.

in order to get a comprehensive understanding

of desiccation tolerance,

in which we look at everything

We bekeken alles van moleculen

from the molecular to the whole plant, ecophysiological level.

tot de hele plant op ecofysiologisch niveau.

For example we look at things like

We kijken naar veranderingen in de anatomie

changes in the plant anatomy as they dried out

als hij verdroogt, en zijn ultrastructuur.

and their ultrastructure.

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

We kijken naar het transcriptoom, een term voor een techniek

van genen bekijken die aan- en uitgaan

in which we look at the genes

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

als reactie op droogte.

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

De meeste genen coderen voor eiwitten.

Dus bekijken we het proteoom.

What are the proteins made in response to drying?

Welke eiwitten worden gemaakt vanwege droogte?

Some proteins would code for enzymes which make metabolites,

Sommige eiwitten coderen voor enzymen die metabolieten maken,

so we look at the metabolome.

dus bekijken we het metaboloom.

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

Dat is belangrijk want planten zitten vast in de grond.

They use what I call a highly tuned chemical arsenal

Ze gebruiken een goed afgestemd 'scheikundig arsenaal'

to protect themselves from all the stresses of their environment.

om zichzelf te beschermen tegen alle stress uit hun omgeving.

So it's important that we look

Het is belangrijk dat we kijken naar de chemische veranderingen door droogte.

at the chemical changes involved in drying.

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

In het laatste onderzoek op moleculair niveau,

we look at the lipidome --

bekijken we het lipidoom,

the lipid changes in response to drying.

de lipide veranderingen door droogte.

And that's also important

Dat is ook belangrijk

because all biological membranes are made of lipids.

want alle biologische membranen zijn gemaakt van lipide.

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

Ze vormen membranen omdat ze in water zitten.

Take away the water, those membranes fall apart.

Zonder water vallen de membranen uit elkaar.

Lipids also act as signals to turn on genes.

Lipiden fungeren ook als signalen om genen aan te zetten.

Then we use physiological and biochemical studies

We gebruiken ook fysiologie- en biochemiestudies

to try and understand the function of the putative protectants

om de functie van mogelijke beschermers te begrijpen

that we've actually discovered in our other studies.

die we hebben ontdekt in eerder onderzoek.

And then use all of that to try and understand

Hiermee proberen we te begrijpen

how the plant copes with its natural environment.

hoe planten omgaan met hun natuurlijke omgeving.

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

Ik ben altijd van mening geweest dat ik flink wat kennis nodig had

of the mechanisms of desiccation tolerance

van de werking van verdrogingstolerantie

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

om daarmee een zinvol voorstel te doen voor een bioptische toepassing.

Ik denk dat sommigen nu denken:

I'm sure some of you are thinking,

"By biotic application,

"Bedoelt ze daarmee dat ze genetisch gemodificeerde gewassen wil?"

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

And the answer to that question is:

Het antwoord daarop is:

depends on your definition of genetic modification.

het hangt af van jouw definitie van genetische modificatie.

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

Alle gewassen die we eten, tarwe, grassen en mais,

are highly genetically modified from their ancestors,

zijn genetisch erg gemodificeerd door hun voorouders,

but we don't consider them GM

maar dat vinden we geen ggo,

because they're being produced by conventional breeding.

omdat ze traditioneel gekweekt zijn.

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

Als je bedoelt of ik oprichtingsplantgenen in gewas stop,

your answer is yes.

dan is het antwoord ja.

In wezen hebben we dat gedaan.

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

More appropriately, some of my collaborators at UCT,

Preciezer: sommige van mijn collega's op de UCT

Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen,

Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen,

leidden die aanpak

have spearheaded that approach

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

en ik zal zo wat gegevens laten zien.

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

Maar we staan op het punt om een ambitieuze aanpak te beginnen,

in which we aim to turn on whole suites of genes

waarin we hele rijen genen willen aanzetten

that are already present in every crop.

die al in elk gewas zitten.

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

Ze zijn alleen nog nooit aangezet in extreem droge omstandigheden.

I leave it up to you to decide

Ik laat je zelf beslissen

whether those should be called GM or not.

of dat ggo moet heten of niet.

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

Ik geef je nu wat gegevens van die eerste benadering.

Om dat te doen moet ik wat uitleggen

And in order to do that

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

over de werking van genen.

So you probably all know

Je weet waarschijnlijk

that genes are made of double-stranded DNA.

dat genen zijn gemaakt van gedraaid DNA.

It's wound very tightly into chromosomes

Het is strak opgewonden als chromosomen

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

die in elke cel zitten van mensen en planten.

Als je DNA ontrafelt, krijg je genen.

If you unwind that DNA, you get genes.

And each gene has a promoter,

En elk gen heeft een promotor,

which is just an on-off switch,

wat eigenlijk een aan/uitknop is,

the gene coding region,

het genencodeergebied

and then a terminator,

en een afsluiter die aangeeft

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

waar het einde van het gen is en waar een nieuw gen begint.

Now, promoters are not simple on-off switches.

Die promotors zijn niet gewoon aan-uitknoppen.

They normally require a lot of fine-tuning,

Ze moeten meestal goed afgesteld worden.

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

Veel moet aanwezig en in orde zijn voordat het gen aangaat.

So what's typically done in biotech studies

In biotechnologie-onderzoek

gebruikt men doorgaans een induceerbare promotor,

is that we use an inducible promoter,

waarvan we weten hoe hij aan moet.

we know how to switch it on.

We couple that to genes of interest

We koppelen dat aan belangrijke genen

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

en stoppen die in een plant en kijken hoe die reageert.

Bij het onderzoek waarover ik ga vertellen,

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

my collaborators used a drought-induced promoter,

gebruikten mijn medewerkers een door droogte ontstane promotor,

which we discovered in a resurrection plant.

die we ontdekten in oprichtingsplanten.

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

Het mooie van die promotor is dat we niets doen.

The plant itself senses drought.

De plant voelt zelf de droogte.

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

Dat gebruikten we om antioxidant-genen uit oprichtingsplanten te halen.

Why antioxidant genes?

Waarom antioxidant-genen?

Well, all stresses, particularly drought stress,

Alle soorten stress, vooral door droogte,

results in the formation of free radicals,

zorgen voor de aanmaak van vrije radicalen,

or reactive oxygen species,

of reactieve zuurstofverbindingen,

which are highly damaging and can cause crop death.

die veel kapot maken en zelfs gewas kunnen doen afsterven.

What antioxidants do is stop that damage.

Antioxidanten stoppen die beschadiging.

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

Hier zijn gegevens van een maisras dat in Afrika populair is.

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

Links staan planten zonder de genen,

to the right --

rechts planten mét de antioxidant-genen.

plants with the antioxidant genes.

After three weeks without watering,

Na drie weken zonder watergeven,

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

doen die met de genen het een stuk beter.

Now to the final approach.

Nu de laatste benadering.

My research has shown that there's considerable similarity

Mijn onderzoek laat zien dat er grote overeenkomst is

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

tussen verdrogingstolerantie-mechanismen in zaden en in oprichtingsplanten.

So I ask the question,

Ik vroeg me dus af of ze dezelfde genen gebruiken.

are they using the same genes?

Or slightly differently phrased,

Of iets anders gezegd:

are resurrection plants using genes evolved in seed desiccation tolerance

gebruiken oprichtingsplanten genen voor zaadverdrogingstolerantie

in their roots and leaves?

in wortels en bladeren?

Have they retasked these seed genes

Passen zij deze zaadgenen toe

in roots and leaves of resurrection plants?

in wortels en bladeren van oprichtingsplanten?

And I answer that question,

Ik beantwoordde die vraag

as a consequence of a lot of research from my group

na veel onderzoek door mijn groep

en recente samenwerking met een club van Henk Hilhorst in Nederland,

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

Mel Oliver in the United States

Mel Oliver in de VS

and Julia Buitink in France.

en Julia Buitink in Frankrijk.

The answer is yes,

Het antwoord is ja,

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

er is een aantal groepen genen die bij beide betrokken zijn.

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

Ik zal dit schetsen aan de hand van mais,

where the chromosomes below the off switch

waarbij de chromosomen onder de uit-knop

represent all the genes that are required for desiccation tolerance.

alle genen vertegenwoordigen die nodig zijn voor verdrogingstolerantie.

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

Dus als maiskorrels verdrogen aan het eind van hun ontwikkeling,

they switch these genes on.

zetten ze die genen aan.

Resurrection plants switch on the same genes

Oprichtingsplanten zetten dezelfde genen aan

when they dry out.

als ze verdrogen.

All modern crops, therefore,

Alle moderne gewassen

have these genes in their roots and leaves,

hebben die genen in hun wortels en bladeren

they just never switch them on.

maar ze zetten ze gewoon niet aan.

They only switch them on in seed tissues.

Ze zetten ze alleen aan in zaadweefsel.

So what we're trying to do right now

Nu proberen we de omgevings- en cel-signalen te begrijpen

is to understand the environmental and cellular signals

that switch on these genes in resurrection plants,

die deze genen aanzetten in oprichtingsplanten,

to mimic the process in crops.

om dat proces na te bootsen in gewas.

And just a final thought.

Nog een gedachte tot besluit.

What we're trying to do very rapidly

Wij proberen op korte termijn te herhalen

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

wat de natuur heeft gedaan in de evolutie van oprichtingsplanten,

some 10 to 40 million years ago.

zo'n 10 tot 40 miljoen jaar geleden.

My plants and I thank you for your attention.

Mijn planten en ik danken je voor je aandacht.

(Applause)

(Applaus)