How we can make crops survive without water | Jill Farrant

Tłumaczenie: Lena Gorska Korekta: Rysia Wand

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

Uważam, że sekret upraw, mogących przetrwać skrajną suszę

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

i zwiększyć bezpieczeństwo żywnościowe na świecie,

lies in resurrection plants,

tkwi w roślinach rezurekcyjnych,

pictured here, in an extremely droughted state.

pokazanych tutaj w bardzo wysuszonym stanie.

You might think that these plants look dead,

Na pierwszy rzut oka wyglądają na martwe,

but they're not.

lecz tak nie jest.

Give them water,

Podlejcie je, a odżyją i zaczną rosnąć w ciągu 12-48 godzin.

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

Now, why would I suggest

Dlaczego uważam, że uprawa roślin odpornych na suszę

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

zwiększy bezpieczeństwo żywnościowe?

Well, the current world population is around 7 billion.

Obecnie na Ziemi żyje około 7 miliardów ludzi.

And it's estimated that by 2050,

Szacuje się, że do 2050 roku

we'll be between 9 and 10 billion people,

będzie nas 9-10 miliardów,

with the bulk of this growth happening in Africa.

z czego największy wzrost nastąpi w Afryce.

The food and agricultural organizations of the world

Światowe organizacje do spraw rolnictwa i żywności

have suggested that we need a 70 percent increase

sugerują, że potrzebny jest 70-procentowy wzrost

in current agricultural practice

obecnych upraw,

to meet that demand.

by zaspokoić to zapotrzebowanie.

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

Ponieważ rośliny są podstawą łańcucha pokarmowego,

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

większość tego wzrostu musi pochodzić z roślin.

That percentage of 70 percent

Ten model nie brał jednak pod uwagę

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

potencjalnych efektów zmian klimatycznych.

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

To mapa z badań Dai przeprowadzonych 2011 roku.

where he took into consideration

Uwzględniono w nich wszystkie potencjalne efekty zmian klimatu,

all the potential effects of climate change

and expressed them -- amongst other things --

w tym między innymi zwiększoną suchość

increased aridity due to lack of rain or infrequent rain.

spowodowaną brakiem lub rzadkim występowaniem deszczu.

The areas in red shown here,

Czerwone obszary

are areas that until recently

to obszary rolne,

dotychczas bardzo wydajne,

have been very successfully used for agriculture,

but cannot anymore because of lack of rainfall.

które nie nadają się już pod uprawę ze względu na brak opadów.

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

Takie są przewidywania na rok 2050.

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

Większość Afryki, właściwie większość świata,

is going to be in trouble.

będzie mieć kłopot.

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

Trzeba będzie wymyślić sprytne sposoby produkcji żywności.

And preferably among them, some drought-tolerant crops.

Między innymi zboża mogące przetrwać susze.

The other thing to remember about Africa is

Należy też pamiętać, że większość rolnictwa w Afryce

that most of their agriculture is rainfed.

uzależniona jest od opadów.

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

Produkcja zbóż mogących przetrwać suszę nie jest najprostsza.

And the reason for this is water.

Powodem jest woda.

Woda jest niezbędna do życia na tej planecie.

Water is essential to life on this planet.

All living, actively metabolizing organisms,

Wszystkie żyjące, metabolizujące organizmy,

from microbes to you and I,

od mikrobów po nas samych,

are comprised predominately of water.

składają się głównie z wody.

All life reactions happen in water.

Wszystkie reakcje życiowe zachodzą w wodzie.

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

Utrata nawet niewielkiej ilości wody kończy się śmiercią.

You and I are 65 percent water --

Ludzie składają się w 65% z wody.

we lose one percent of that, we die.

Utrata jednego procenta oznacza śmierć.

But we can make behavioral changes to avoid that.

By temu zapobiec, możemy zmienić zachowanie.

Plants can't.

Rośliny nie mogą.

They're stuck in the ground.

Tkwią w ziemi.

Mają trochę więcej wody niż my,

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

about 95 percent water,

około 95 procent,

and they can lose a little bit more than us,

i mogą jej trochę więcej stracić,

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

w zależności od gatunku od 10 do 70 procent,

but for short periods only.

ale tylko na krótko.

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

Większość będzie się opierać lub unikać strat wody.

So extreme examples of resistors can be found in succulents.

Ekstremalny przykład to sukulenty.

They tend to be small, very attractive,

Są zazwyczaj małe, bardzo atrakcyjne.

but they hold onto their water at such great cost

Zatrzymują wodę za wszelką cenę, przez co wolno rosną.

that they grow extremely slowly.

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

Podobne przykłady obserwujemy u drzew i krzewów.

Zapuszczają korzenie bardzo głęboko,

They send down very deep roots,

mine subterranean water supplies

aby korzystać z podziemnych zapasów wody

and just keep flushing it through them at all times,

i "opłukują się" nią cały czas,

keeping themselves hydrated.

by się dobrze nawodnić.

The one on the right is called a baobab.

Drzewo po prawej to baobab.

It's also called the upside-down tree,

Nazywane drzewem rosnącym do góry nogami,

simply because the proportion of roots to shoots is so great

bo dysproporcja rozmiaru korzeni i pędów jest tak duża,

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

że wygląda, jakby drzewo zasadzono odwrotnie.

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

Oczywiście korzenie są niezbędne do nawodnienia rośliny.

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

Najbardziej powszechną strategię mają roślin jednoroczne.

Annuals make up the bulk of our plant food supplies.

Jednoroczne stanowią większość naszego pożywienia roślinnego.

Up the west coast of my country,

Na zachodnim wybrzeżu mojego kraju

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

przez większą część roku nie widać roślinności.

But come the spring rains, you get this:

Ale gdy nadchodzą wiosenne deszcze,

pustynia rozkwita.

flowering of the desert.

Strategią roślin jednorocznych

The strategy in annuals,

is to grow only in the rainy season.

jest wzrost tylko w porze deszczowej.

At the end of that season they produce a seed,

Pod jej koniec produkują nasiona,

which is dry, eight to 10 percent water,

suche, tylko 8 -10% zawartości wody,

but very much alive.

ale bardzo żywe.

And anything that is that dry and still alive,

Wszystko, co jest tak suche i nadal żywe,

we call desiccation-tolerant.

nazywamy suszoodpornym.

In the desiccated state,

W stanie wysuszenia

what seeds can do is lie in extremes of environment

nasiona mogą leżeć w skrajnych warunkach

for prolonged periods of time.

przez dłuższy czas.

The next time the rainy season comes,

Z nastaniem kolejnej pory deszczowej

they germinate and grow,

kiełkują i rosną

and the whole cycle just starts again.

i cały cykl zaczyna się od nowa.

Uważa się, że ewolucja nasion suszoodpornych

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

allowed the colonization and the radiation

pozwoliła na kolonizację i rozprzestrzenienie się

of flowering plants, or angiosperms, onto land.

roślin kwitnących czy okrytozalążkowych.

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

Wróćmy do jednorocznych, głównego składnika naszej diety.

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

Pszenica, ryż i kukurydza to 95% naszego pożywienia roślinnego.

And it's been a great strategy

Do niedawna była to świetna strategia,

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

bo w krótkim czasie można wyprodukować dużo nasion.

Nasiona są bogate w energię, więc pożywienie jest kaloryczne,

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

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

świetne do magazynowania na czas głodu.

but there's a downside.

Ale ma to też wady.

The vegetative tissues,

Tkanki roślinne, korzenie i liście roślin jednorocznych

the roots and leaves of annuals,

do not have much

nie mają za wiele wrodzonej wytrzymałości i odporności.

by way of inherent resistance, avoidance or tolerance characteristics.

They just don't need them.

Po prostu tego nie potrzebują.

They grow in the rainy season

Rosną w porze deszczowej,

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

a ich nasiona umieją przetrwać resztę roku.

And so despite concerted efforts in agriculture

Pomimo wspólnych wysiłków rolników,

to make crops with improved properties

by stworzyć rośliny

o większej wytrwałości i odporności,

of resistance, avoidance and tolerance --

particularly resistance and avoidance

zwłaszcza takich,

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

bo mamy wiele przykładów ich działania,

we still get images like this.

nadal dostajemy fotografie jak ta.

Maize crop in Africa,

Uprawa kukurydzy w Afryce,

two weeks without rain

dwa tygodnie bez deszczu

and it's dead.

i jest martwa.

There is a solution:

Jest na to rada.

resurrection plants.

Rośliny rezurekcyjne.

These plants can lose 95 percent of their cellular water,

Rośliny te mogą stracić 95% wody wewnątrzkomórkowej,

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

pozostawać w suchym, obumarłym stanie przez miesiące a nawet lata,

and give them water,

a gdy dostaną wodę,

they green up and start growing again.

zaczynają rosnąć na nowo.

Like seeds, these are desiccation-tolerant.

Podobnie jak nasiona, są odporne na wysuszenie.

Like seeds, these can withstand extremes of environmental conditions.

Jak nasiona, mogą wytrzymać ekstremalne warunki.

And this is a really rare phenomenon.

To bardzo rzadki fenomen.

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

Tylko 135 kwitnących gatunków roślin może to zrobić.

I'm going to show you a video

Pokażę wam wideo o procesie rezurekcji tych trzech gatunków,

of the resurrection process of these three species

in that order.

kolejno.

And at the bottom,

Na dole jest oś czasu, więc widać szybkość wydarzeń.

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

(Applause)

(Brawa)

Pretty amazing, huh?

Niezwykłe, prawda?

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

Od 21 lat próbuję zrozumieć, jak one to robią.

How do these plants dry without dying?

Jak wysychają, ale nie umierają?

And I work on a variety of different resurrection plants,

Pracowałam z różnymi odmianami roślin rezurekcyjnych,

shown here in the hydrated and dry states,

pokazanych tu w nawodnionym i wyschniętym stanie,

for a number of reasons.

z wielu powodów.

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

Każda z tych roślin służy jako model dla rośliny,

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

której chciałabym dać suszoodporność.

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

W górnym lewym rogu mamy na przykład trawę,

it's called Eragrostis nindensis,

nazywa się eragrostis nindensis,

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

blisko spokrewniona z miłką abisyńską,

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

może znacie ją jako "tef".

it's a staple food in Ethiopia,

Jest podstawą wyżywienia w Etiopii.

it's gluten-free,

Nie zawiera glutenu.

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

Chcielibyśmy, żeby była suszoodporna.

The other reason for looking at a number of plants,

Kolejnym powodem do badania większej liczby roślin

is that, at least initially,

jest chęć sprawdzenia, czy wszystkie zachowują się tak samo.

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

Do they all use the same mechanisms

Czy wszystkie używają tych samych mechanizmów,

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

które pozwalają tracić wodę i żyć.

So I undertook what we call a systems biology approach

Przyjęłam podejście systemowe,

in order to get a comprehensive understanding

aby całościowo zrozumieć

of desiccation tolerance,

fenomen odporności na suszę.

in which we look at everything

Obserwujemy wszystko, od cząsteczek po poziom ekofizjologiczny całej rośliny.

from the molecular to the whole plant, ecophysiological level.

For example we look at things like

Patrzymy na zmiany zachodzące w anatomii roślin podczas wysychania,

changes in the plant anatomy as they dried out

and their ultrastructure.

na ich ultrastruktrę.

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

Patrzymy na transkryptom.

To technika obserwacji genów,

in which we look at the genes

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

które włączają się i wyłączają w odpowiedzi na suszę.

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

Większość genów koduje białka, więc protenom pokazuje,

What are the proteins made in response to drying?

które białka powstały w procesie wysuszania.

Some proteins would code for enzymes which make metabolites,

Niektóre białka stworzą enzymy metaboliczne,

patrzymy zatem również na metabolom.

so we look at the metabolome.

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

To ważne, bo rośliny tkwią w ziemi

They use what I call a highly tuned chemical arsenal

i mają bardzo wyczulony arsenał chemiczny

to protect themselves from all the stresses of their environment.

do ochrony przed wszelkimi zagrożeniami z zewnątrz.

So it's important that we look

Trzeba więc zaobserwować

at the chemical changes involved in drying.

zmiany chemiczne zachodzące przy wysuszaniu.

Ostatnim etapem jest badanie na poziomie molekularnym.

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

we look at the lipidome --

Patrzymy na lipidom,

the lipid changes in response to drying.

zmiany lipidowe zachodzące podczas wysychania.

And that's also important

To również ważne,

because all biological membranes are made of lipids.

bo wszystkie błony zbudowane są z lipidów.

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

Nie rozpadają się dzięki wodzie.

Take away the water, those membranes fall apart.

Zabieramy wodę, membrana się rozpadnie.

Lipids also act as signals to turn on genes.

To lipidy wysyłają sygnał włączania genów.

Then we use physiological and biochemical studies

Prowadzimy też badania fizjologiczne i biochemiczne,

to try and understand the function of the putative protectants

by zrozumieć funkcję domniemanych mechanizmów ochronnych,

that we've actually discovered in our other studies.

odkrytych w innych badaniach.

And then use all of that to try and understand

Wszystko razem wykorzystujemy,

how the plant copes with its natural environment.

by zrozumieć, jak roślina reaguje na środowisko naturalne.

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

Zawsze staram się podchodzić całościowo

of the mechanisms of desiccation tolerance

do poznawania zjawiska odporności na wysychanie,

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

żeby móc zaproponować wartościowe zastosowanie biotechnologiczne.

Wielu z was teraz myśli, że biotechnologiczna aplikacja

I'm sure some of you are thinking,

"By biotic application,

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

oznacza zboża modyfikowane genetycznie.

And the answer to that question is:

depends on your definition of genetic modification.

Zależy jaką definicję GMO przyjąć.

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

Wszystkie spożywane dzisiaj zboża, pszenica, ryż, kukurydza,

are highly genetically modified from their ancestors,

są wysoce zmodyfikowane genetycznie w porównaniu ze swoimi przodkami.

but we don't consider them GM

Nie uważamy ich jednak za GMO,

because they're being produced by conventional breeding.

ponieważ pochodzą z upraw konwencjonalnych.

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

Jeśli myślicie, że chcę umieścić geny rezurekcyjne w uprawach zbóż

your answer is yes.

odpowiedź brzmi: tak.

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

Ponieważ czas nagli, już tego spróbowaliśmy.

More appropriately, some of my collaborators at UCT,

A dokładniej, moi współpracownicy z UCT,

Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen,

Jennifer Thomson i Suhail Rafudeen,

have spearheaded that approach

byli tu pionierami.

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

Wkrótce przedstawię wam dane.

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

Niebawem mamy zamiar zrealizować bardzo ambitny plan.

in which we aim to turn on whole suites of genes

Zamierzamy włączyć cały pakiet genów,

that are already present in every crop.

już obecnych w zbożach,

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

a które nie aktywowały się jeszcze w warunkach ekstremalnej suszy.

I leave it up to you to decide

Opinię, czy nazywać to GMO czy nie, pozostawiam wam.

whether those should be called GM or not.

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

Przedstawię teraz dane z pierwszych badań.

Dla ułatwienia

And in order to do that

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

opowiem krótko, jak działają geny.

So you probably all know

Zapewne wszyscy wiedzą,

that genes are made of double-stranded DNA.

że geny składają się z ciasno skręconej

It's wound very tightly into chromosomes

podwójnej helisy, tworzącej chromosomy,

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

które znajdują się w komórkach każdego ciała, również u roślin.

If you unwind that DNA, you get genes.

Gdy rozwinąć helisę, otrzymujemy geny.

And each gene has a promoter,

Każdy gen posiada promotor,

which is just an on-off switch,

genetyczny włącznik,

the gene coding region,

region kodujący,

and then a terminator,

oraz terminator, który określa,

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

gdzie jeden gen się kończy, a drugi zaczyna.

Now, promoters are not simple on-off switches.

Promotor to nie taki zwykły włącznik,

They normally require a lot of fine-tuning,

zazwyczaj wymaga precyzyjnego strojenia

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

i spełnienia mnóstwa warunków, żeby nastąpiło włączenie genu.

So what's typically done in biotech studies

Zazwyczaj w trakcie badań biotechnologicznych

is that we use an inducible promoter,

używa się promotora indukcyjnego,

we know how to switch it on.

wiemy, jak go włączyć.

We couple that to genes of interest

Łączymy go z interesującymi nas genami

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

i instalujemy w roślinie, czekając, jak zareaguje.

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

W badaniu, o którym mowa,

my collaborators used a drought-induced promoter,

moi współpracownicy użyli promotora aktywowanego podczas suszy,

which we discovered in a resurrection plant.

odkrytego w roślinie rezurekcyjnej.

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

Co wygodne, ten promotor nie wymaga naszej ingerencji,

The plant itself senses drought.

roślina sama wykrywa suszę.

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

Tak wprowadziliśmy do roślin geny przeciwutleniaczy z roślin rezurekcyjnych.

Why antioxidant genes?

Dlaczego właśnie te?

Well, all stresses, particularly drought stress,

Ponieważ wszystkie czynniki szkodliwe, w szczególności susza,

results in the formation of free radicals,

powodują powstawanie wolnych rodników,

or reactive oxygen species,

reaktywnych form tlenu,

which are highly damaging and can cause crop death.

które są bardzo szkodliwe, mogą powodować obumieranie.

What antioxidants do is stop that damage.

Przeciwutleniacze zatrzymują te procesy.

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

Oto wyniki badań gatunku kukurydzy popularnego w Afryce.

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

Z lewej mamy rośliny bez aktywowanych genów,

to the right --

z prawej z aktywowanymi genami.

plants with the antioxidant genes.

After three weeks without watering,

Po trzech tygodniach bez podlewania

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

te z aktywowanymi genami są w dużo lepszym stanie.

Now to the final approach.

Idźmy dalej.

My research has shown that there's considerable similarity

Moje badania wskazują na znaczące podobieństwo

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

między szuszoodpornymi nasionami a roślinami rezurekcyjnymi.

So I ask the question,

Powstaje zatem pytanie:

are they using the same genes?

czy używają tych samych genów?

Or slightly differently phrased,

Lub, ujmując to trochę inaczej:

are resurrection plants using genes evolved in seed desiccation tolerance

czy rośliny rezurekcyjne

używają genów rozwiniętych dla suszoodpornych nasion

in their roots and leaves?

w korzeniach i liściach?

Have they retasked these seed genes

Czy geny nasion posłużyły

in roots and leaves of resurrection plants?

do modyfikacji korzeni i liści roślin rezurekcyjnych?

And I answer that question,

Odpowiedź na to pytanie,

as a consequence of a lot of research from my group

zgodnie z wynikiem badań mojego zespołu

i ostatniej współpracy z zespołem Henka Hilhorsta z Holandii,

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

Mel Oliver in the United States

Mela Olivera z USA

and Julia Buitink in France.

i Julii Buitink z Francji,

The answer is yes,

brzmi: tak.

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

Jest cały pakiet genów biorących udział w obu procesach.

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

Przedstawię to pobieżnie na przykładzie kukurydzy,

where the chromosomes below the off switch

gdzie chromosom poniżej wyłącznika

represent all the genes that are required for desiccation tolerance.

reprezentuje wszystkie geny odpowiadające za odporność na suszę.

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

Kiedy nasiona kukurydzy wysychały pod koniec okresu wzrostu,

they switch these genes on.

uruchomiły te geny.

Resurrection plants switch on the same genes

Rośliny rezurekcyjne uruchamiają te same geny

when they dry out.

w czasie suszy.

All modern crops, therefore,

Wszystkie współczesne zboża

have these genes in their roots and leaves,

mają te geny w korzeniach i liściach,

they just never switch them on.

ale nigdy ich nie włączają.

They only switch them on in seed tissues.

Włączają je tylko w tkankach nasion.

So what we're trying to do right now

Właśnie staramy się

is to understand the environmental and cellular signals

zrozumieć środowiskowe i komórkowe sygnały,

that switch on these genes in resurrection plants,

które uruchamiają te geny u roślin rezurekcyjnych,

to mimic the process in crops.

żeby odwzorować ten proces w zbożach.

And just a final thought.

I ostatnia myśl.

What we're trying to do very rapidly

Próbujemy szybko powtórzyć to,

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

czego w procesie ewolucji roślin rezurekcyjnych

some 10 to 40 million years ago.

natura dokonała jakieś 10 do 40 milionów lat.

My plants and I thank you for your attention.

Wspólnie z roślinami dziękujemy za uwagę.

(Applause)

(Brawa)