How we can make crops survive without water | Jill Farrant

Tradutor: Raissa Mendes Revisor: Claudia Sander

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

Creio que o segredo para produzir culturas extremamente resistentes à seca,

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

que contribuirão de alguma forma para a segurança alimentar no mundo,

lies in resurrection plants,

reside nas plantas de ressurreição,

mostradas aqui num estado extremamente seco.

pictured here, in an extremely droughted state.

You might think that these plants look dead,

Vocês podem até achar que essas plantas estão mortas,

mas não estão.

but they're not.

Give them water,

Basta lhes dar água,

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

e elas ressuscitam, ficam viçosas e começam a crescer em 12 a 48 horas.

Now, why would I suggest

Mas por que estou sugerindo

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

que produzir culturas resistentes à seca vai nos proporcionar segurança alimentar?

Well, the current world population is around 7 billion.

Bem, a população atual do mundo é de cerca de 7 bilhões de habitantes.

And it's estimated that by 2050,

E estima-se que, por volta de 2050,

we'll be between 9 and 10 billion people,

seremos de 9 a 10 bilhões de pessoas,

with the bulk of this growth happening in Africa.

com grande parte desse crescimento acontecendo na África.

The food and agricultural organizations of the world

As organizações mundiais para alimentação e agricultura

have suggested that we need a 70 percent increase

sugerem que precisamos de um aumento de 70%

in current agricultural practice

nas práticas agrícolas atuais para atender a essa demanda.

to meet that demand.

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

Uma vez que as plantas são a base da cadeia alimentar,

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

a maior parte disso terá de vir das plantas.

That percentage of 70 percent

Esse índice de 70%

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

não considera os potenciais efeitos da mudança climática.

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

Isso foi tirado de um estudo feito por [Aiguo] Dai, publicado em 2011,

where he took into consideration

em que ele levou em consideração

all the potential effects of climate change

todos os potenciais efeitos da mudança climática

and expressed them -- amongst other things --

e os expressou, entre outras coisas,

increased aridity due to lack of rain or infrequent rain.

num aumento da aridez pela falta ou escassez de chuva.

The areas in red shown here,

As áreas vermelhas mostradas aqui

are areas that until recently

são áreas que até recentemente

have been very successfully used for agriculture,

têm sido usadas com sucesso pela agricultura,

but cannot anymore because of lack of rainfall.

mas não podem mais, pela falta de chuva.

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

Esta é a situação prevista para acontecer em 2050.

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

Grande parte da África, na verdade, do mundo, vai estar em apuros.

is going to be in trouble.

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

Vamos ter de pensar em alternativas bem inteligentes de produzir comida.

And preferably among them, some drought-tolerant crops.

E, de preferência, entre elas, as culturas resistentes à seca.

The other thing to remember about Africa is

Outro dado importante sobre a África

é que a maior parte de sua agricultura depende da chuva.

that most of their agriculture is rainfed.

Produzir culturas resistentes à seca não é a coisa mais fácil do mundo,

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

And the reason for this is water.

e a razão para isso é a água.

A água é essencial para a vida neste planeta.

Water is essential to life on this planet.

All living, actively metabolizing organisms,

Todos os seres vivos, que têm um metabolismo ativo,

from microbes to you and I,

desde os micróbios até vocês e eu,

are comprised predominately of water.

são compostos predominantemente pela água.

All life reactions happen in water.

Todas as reações biológicas acontecem na água.

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

E a perda de uma pequena quantidade de água resulta na morte.

You and I are 65 percent water --

Vocês e eu somos 65% de água

we lose one percent of that, we die.

e, se perdemos 1% disso, morremos.

But we can make behavioral changes to avoid that.

Mas podemos fazer mudanças comportamentais para evitar isso.

Plants can't.

As plantas não.

They're stuck in the ground.

Elas estão presas ao solo.

Assim, em princípio, elas têm um pouco mais de água do que nós,

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

cerca de 95% de água,

about 95 percent water,

and they can lose a little bit more than us,

e elas podem perder um pouco mais do que nós,

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

cerca de 10 a 70%, dependendo da espécie,

mas apenas por curtos períodos de tempo.

but for short periods only.

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

A maioria delas vai tentar resistir ou evitar a perda de água.

So extreme examples of resistors can be found in succulents.

Assim, um caso extremo de resistência são as suculentas.

They tend to be small, very attractive,

Elas costumam ser pequenas, muito atraentes,

but they hold onto their water at such great cost

mas retêm sua água ao alto custo

that they grow extremely slowly.

de crescer extremamente devagar.

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

Exemplos de escape são encontrados em árvores e arbustos.

Eles aprofundam suas raízes, garimpam suprimentos subterrâneos de água

They send down very deep roots,

mine subterranean water supplies

and just keep flushing it through them at all times,

e os bombeiam para si constantemente, para se manterem hidratados.

keeping themselves hydrated.

The one on the right is called a baobab.

A árvore da direita é o baobá.

It's also called the upside-down tree,

Também chamada de "árvore de cabeça para baixo",

simply because the proportion of roots to shoots is so great

simplesmente porque a proporção das raízes para os galhos é tão grande

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

que parece que a árvore foi plantada de cabeça para baixo.

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

Obviamente as raízes são necessárias para a hidratação da planta.

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

Provavelmente, a estratégia mais comum de escape seja a das plantas anuais.

Annuals make up the bulk of our plant food supplies.

As plantas anuais formam a maior parte do nosso suprimento alimentar.

Up the west coast of my country,

Na costa oeste do meu país,

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

na maior parte do ano, não vemos muito crescimento da vegetação.

But come the spring rains, you get this:

Mas, com a chegada das chuvas de primavera, temos isto:

o florescimento do deserto.

flowering of the desert.

A estratégia das plantas anuais é crescer somente na estação chuvosa.

The strategy in annuals,

is to grow only in the rainy season.

At the end of that season they produce a seed,

No final da estação, elas produzem uma semente,

which is dry, eight to 10 percent water,

que é seca, com 8 a 10% de água,

mas cheia de vida.

but very much alive.

And anything that is that dry and still alive,

E qualquer coisa seca, mas ainda viva, chamamos de tolerante à dessecação.

we call desiccation-tolerant.

In the desiccated state,

No estado dessecado, as sementes ficam dormentes em ambientes hostis

what seeds can do is lie in extremes of environment

for prolonged periods of time.

por longos períodos de tempo.

The next time the rainy season comes,

Quando vem a época das chuvas, elas germinam e crescem,

they germinate and grow,

and the whole cycle just starts again.

e o ciclo todo recomeça.

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

Acredita-se que a evolução das sementes tolerantes à dessecação

allowed the colonization and the radiation

permitiram a colonização e a propagação

of flowering plants, or angiosperms, onto land.

de plantas com flores, ou angiospermas, na terra.

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

Mas de volta às plantas anuais como nossa maior fonte de alimentos,

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

trigo, arroz e milho formam 95% das nossas fontes vegetais de alimento.

And it's been a great strategy

E tem sido uma excelente estratégia,

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

pois, num curto espaço de tempo, podemos produzir muitas sementes.

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

Sementes são ricas em energia, assim, há muitas fontes de calorias,

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

podemos estocá-las em tempos de fartura para tempos de fome,

but there's a downside.

mas há um lado negativo.

The vegetative tissues,

Os tecidos vegetativos, as raízes e folhas das anuais,

the roots and leaves of annuals,

do not have much

não têm muitos recursos inerentes de resistência, escape e tolerância.

by way of inherent resistance, avoidance or tolerance characteristics.

They just don't need them.

Simplesmente não precisam deles.

They grow in the rainy season

Elas crescem na estação chuvosa e têm uma semente

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

para ajudá-las a sobreviver no resto do ano.

And so despite concerted efforts in agriculture

E, assim, apesar dos esforços conjuntos na agricultura

to make crops with improved properties

para produzir culturas com propriedades melhoradas

de resistência, escape e tolerância,

of resistance, avoidance and tolerance --

particularly resistance and avoidance

particularmente resistência e escape,

pois tivemos bons modelos para entender como elas funcionam,

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

ainda vemos imagens assim:

we still get images like this.

cultura de milho na África,

Maize crop in Africa,

two weeks without rain

duas semanas sem chuva,

and it's dead.

e a cultura morre.

There is a solution:

Existe uma solução:

resurrection plants.

plantas de ressurreição.

These plants can lose 95 percent of their cellular water,

Essas plantas podem perder 95% de suas células de água,

permanecer num estado de seca e morte por meses ou anos

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

e, se lhes dermos água, elas vicejam e começam a crescer novamente.

and give them water,

they green up and start growing again.

Like seeds, these are desiccation-tolerant.

Como as sementes, elas são tolerantes à dessecação.

Like seeds, these can withstand extremes of environmental conditions.

Como as sementes, elas podem suportar condições ambientais hostis.

And this is a really rare phenomenon.

E isso é um fenômeno realmente raro.

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

Existem apenas 135 espécies de plantas floríferas que conseguem fazer isso.

Eis um vídeo do processo de ressurreição daquelas três espécies naquela ordem.

I'm going to show you a video

of the resurrection process of these three species

in that order.

And at the bottom,

Embaixo, há um eixo temporal, para verem a rapidez com que isso acontece.

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

(Aplausos)

(Applause)

Pretty amazing, huh?

Impressionante, não é?

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

Assim, gastei pelo menos 21 anos tentando entender como elas fazem isso.

Como essas plantam secam sem morrer?

How do these plants dry without dying?

And I work on a variety of different resurrection plants,

E trabalhei com diversos tipos de plantas de ressurreição,

shown here in the hydrated and dry states,

aqui mostradas em estados hidratados e desidratados,

for a number of reasons.

por diversas razões.

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

Uma delas é que cada uma dessas plantas serve como um modelo

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

para uma cultura que gostaria de tornar tolerante à seca.

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

Assim, no alto, à esquerda, por exemplo, tem um capim,

it's called Eragrostis nindensis,

chamado "Eragrostis nindensis",

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

que tem uma parente próxima chamada "Eragrostis tef",

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

provavelmente conhecida por "teff",

it's a staple food in Ethiopia,

que é um alimento comum na Etiópia, sem glúten.

it's gluten-free,

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

É algo que gostaríamos de tornar resistente à seca.

The other reason for looking at a number of plants,

A outra razão para examinar uma série de plantas

é que, pelo menos de início, eu queria saber se todas faziam o mesmo.

is that, at least initially,

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

Do they all use the same mechanisms

Todas usam os mesmos mecanismos

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

para serem capazes de perder essa água toda e não morrer?

So I undertook what we call a systems biology approach

Então, eu me dediquei à abordagem chamada biologia sistêmica

para conseguir um entendimento amplo da tolerância à dessecação,

in order to get a comprehensive understanding

of desiccation tolerance,

na qual estudamos todos os níveis,

in which we look at everything

from the molecular to the whole plant, ecophysiological level.

do molecular até a planta toda, o nível ecofisiológico.

For example we look at things like

Por exemplo, mudanças na autonomia da planta

changes in the plant anatomy as they dried out

enquanto elas secam e sua ultraestrutura.

and their ultrastructure.

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

Estudamos o transcritoma, que é apenas um termo para uma tecnologia

na qual investigamos os genes que ligam ou desligam em resposta à secagem.

in which we look at the genes

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

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

Como a maioria dos genes codificam proteínas, estudamos o proteoma.

What are the proteins made in response to drying?

Quais são as proteínas produzidas em resposta à secagem?

Some proteins would code for enzymes which make metabolites,

Algumas proteínas codificam enzimas produtoras de metabólitos,

so we look at the metabolome.

então, estudamos o metaboloma.

Isso é importante, pois as plantas estão presas ao solo.

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

They use what I call a highly tuned chemical arsenal

Elas usam o que chamo de arsenal químico altamente sintonizado

para se proteger de todos os estresses de seu ambiente.

to protect themselves from all the stresses of their environment.

So it's important that we look

Então é importante estudarmos

at the chemical changes involved in drying.

as mudanças químicas envolvidas na secagem.

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

E, no último estudo que fazemos no nível molecular,

we look at the lipidome --

ou seja, o lipidoma, o lipídeo muda em resposta à secagem.

the lipid changes in response to drying.

And that's also important

E isso também é importante,

because all biological membranes are made of lipids.

pois todas as membranas biológicas são feitas de lipídios.

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

Funcionam como membranas por estarem dentro da água.

Take away the water, those membranes fall apart.

Se tirarmos a água, as membranas desaparecem.

Lipids also act as signals to turn on genes.

Os lipídios também atuam como sinais para ligar os genes.

Then we use physiological and biochemical studies

Então, usamos estudos fisiológicos e bioquímicos

to try and understand the function of the putative protectants

para tentar perceber a função dos possíveis protetores

that we've actually discovered in our other studies.

que descobrimos em nossos outros estudos.

Daí, usamos tudo isso para tentar entender

And then use all of that to try and understand

como a planta interage com esse ambiente natural.

how the plant copes with its natural environment.

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

Sempre tive a filosofia de que precisava de um amplo entendimento

of the mechanisms of desiccation tolerance

dos mecanismos da tolerância à dessecação

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

para fazer uma sugestão significativa para uma aplicação biótica.

Tenho certeza de que alguns estão pensando: "Por aplicação biótica,

I'm sure some of you are thinking,

"By biotic application,

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

ela quer dizer que vai produzir culturas geneticamente modificadas?"

And the answer to that question is:

E a resposta para esta pergunta é:

depends on your definition of genetic modification.

depende da sua definição de modificação genética.

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

Todas as culturas que comemos hoje, trigo, arroz e milho,

são altamente geneticamente modificadas em relação a suas antepassadas,

are highly genetically modified from their ancestors,

but we don't consider them GM

mas não são consideradas GMs, pois estão sendo produzidas de forma convencional.

because they're being produced by conventional breeding.

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

Se querem saber se vou colocar genes de planta de ressurreição nas culturas,

your answer is yes.

a resposta é sim.

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

Ao longo do tempo, tentamos essa abordagem.

More appropriately, some of my collaborators at UCT,

Mais precisamente, alguns de meus colaboradores da UCT,

Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen, foram pioneiros nessa abordagem,

Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen,

have spearheaded that approach

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

cujos dados vou mostrar daqui a pouco.

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

Mas estamos a ponto de embarcar numa abordagem extremamente ambiciosa,

in which we aim to turn on whole suites of genes

na qual pretendemos ativar uma série completa de genes

that are already present in every crop.

já presentes em todas as culturas.

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

Eles apenas não são ativados sob condições de seca extrema.

I leave it up to you to decide

Vou deixar que vocês decidam

se eles deveriam ser chamados de GM ou não.

whether those should be called GM or not.

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

Agora, simplesmente vou lhes dar alguns dados dessa primeira abordagem.

E, para fazer isso,

And in order to do that

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

tenho de explicar um pouco como os genes funcionam.

Provavelmente vocês sabem que os genes são feitos de uma cadeia dupla de DNA.

So you probably all know

that genes are made of double-stranded DNA.

It's wound very tightly into chromosomes

É enrolado bem apertado nos cromossomos

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

que estão presentes em todas as células do nosso corpo ou das plantas.

If you unwind that DNA, you get genes.

Se desenrolarmos esse DNA, temos os genes.

And each gene has a promoter,

E cada gene tem um promotor,

which is just an on-off switch,

que é um botão liga-desliga,

the gene coding region,

a região codificadora do gene,

and then a terminator,

e um terminador, que indica o fim daquele gene e o início do próximo.

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

Now, promoters are not simple on-off switches.

Mas promotores não são simples botões liga-desliga.

They normally require a lot of fine-tuning,

Eles normalmente demandam muita sintonia fina,

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

muitas coisas que devem estar presentes e corretas antes de o gene ser ativado.

So what's typically done in biotech studies

Assim, o que acontece geralmente em estudos biotécnicos

is that we use an inducible promoter,

é que usamos um promotor induzível,

we know how to switch it on.

sabemos como ligá-lo.

We couple that to genes of interest

Acoplamos isso aos genes de interesse,

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

colocamos isso numa planta e observamos como ela reage.

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

No estudo sobre o qual vou falar,

meus colaboradores usaram um promotor indutor de secagem,

my collaborators used a drought-induced promoter,

which we discovered in a resurrection plant.

que descobrimos numa planta de ressurreição.

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

O bom desse promotor é que não precisamos fazer nada.

The plant itself senses drought.

A própria planta sente a seca.

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

E usamos isso para introduzir genes antioxidantes de plantas de ressurreição.

Why antioxidant genes?

Por que genes antioxidantes?

Well, all stresses, particularly drought stress,

Bem, todos os estresses, particularmente o estresse da seca,

results in the formation of free radicals,

resultam na formação de radicais livres,

or reactive oxygen species,

ou espécies de oxigênio reativo,

which are highly damaging and can cause crop death.

que são altamente danosos e podem causar a morte da cultura.

What antioxidants do is stop that damage.

Os antioxidantes detêm o dano.

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

Eis alguns dados de uma variedade de milho bem popular na África.

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

À esquerda da flecha, estão plantas sem os genes,

to the right --

à direita,

plants with the antioxidant genes.

plantas com os genes antioxidantes.

After three weeks without watering,

Depois de três semanas sem irrigação,

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

aquelas com os genes se saem muito melhor.

Now to the final approach.

Vamos agora à abordagem final.

My research has shown that there's considerable similarity

Minha pesquisa mostrou uma semelhança considerável

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

entre os mecanismos de tolerância à dessecação

em sementes e plantas de ressurreição.

So I ask the question,

Aí, eu pergunto: elas estão usando os mesmos genes?

are they using the same genes?

Or slightly differently phrased,

Ou, dito de uma outra forma,

are resurrection plants using genes evolved in seed desiccation tolerance

as plantas de ressurreição estão usando em suas raízes e folhas

genes da tolerância à dessecação que evoluíram das sementes?

in their roots and leaves?

Have they retasked these seed genes

Será que nas plantas de ressurreição

in roots and leaves of resurrection plants?

a função dos genes da semente foi transferida para suas raízes e folhas?

And I answer that question,

E respondo a essa pergunta,

as a consequence of a lot of research from my group

como resultado de muita pesquisa do meu grupo

e recentes colaborações do grupo de Henk Hilhorst, na Holanda,

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

Mel Oliver in the United States

Mel Oliver, nos Estados Unidos,

e Julia Buitink, na França.

and Julia Buitink in France.

The answer is yes,

A resposta é sim, existe um grupo básico de genes envolvidos em ambos.

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

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

Vou dar um exemplo bem básico disso com o milho,

where the chromosomes below the off switch

em que os cromossomos abaixo do botão de desligar

represent all the genes that are required for desiccation tolerance.

representam todos os genes necessários para a tolerância à dessecação.

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

À medida que as sementes do milho secam, no fim de seu período de desenvolvimento,

they switch these genes on.

elas ativam esses genes.

Resurrection plants switch on the same genes

As plantas de ressurreição ativam os mesmos genes quando secam.

when they dry out.

All modern crops, therefore,

Portanto, todas as culturas modernas têm esses genes em suas raízes e folhas,

have these genes in their roots and leaves,

mas elas simplesmente não os ativam.

they just never switch them on.

They only switch them on in seed tissues.

Elas somente os ativam no tecido das sementes.

So what we're trying to do right now

Por isso, agora estamos tentando

is to understand the environmental and cellular signals

entender os sinais ambientais e celulares

that switch on these genes in resurrection plants,

que ativam esses genes nas plantas de ressurreição,

to mimic the process in crops.

para repetir o processo nas culturas.

And just a final thought.

E um pensamento final.

What we're trying to do very rapidly

O que estamos tentando fazer de forma bem rápida

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

é repetir o que a natureza fez na evolução das plantas de ressurreição

some 10 to 40 million years ago.

cerca de 10 a 40 milhões de anos atrás.

My plants and I thank you for your attention.

Minhas plantas e eu agradecemos a atenção!

(Applause)

(Aplausos)