How we can make crops survive without water | Jill Farrant

Tradutor: Margarida Ferreira

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

Creio que o segredo para produzir culturas muito resistentes às secas,

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

que têm que existir para garantir a segurança alimentar no mundo,

lies in resurrection plants,

reside nas plantas que ressuscitam,

pictured here, in an extremely droughted state.

representadas aqui, num estado extremamente seco.

You might think that these plants look dead,

Podem pensar que estas plantas estão mortas,

but they're not.

mas não estão.

Give them water,

Deem-lhes água e elas ressuscitarão,

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

ficarão verdes, começarão a crescer ao fim de 12 a 48 horas.

Now, why would I suggest

Porque é que eu sugiro que a produção de culturas resistentes às secas

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

ajudarão a segurança alimentar?

Well, the current world population is around 7 billion.

A atual população mundial situa-se à volta de sete mil milhões.

And it's estimated that by 2050,

Calcula-se que, por volta de 2050,

we'll be between 9 and 10 billion people,

seremos entre 9 a 10 mil milhões de pessoas.

with the bulk of this growth happening in Africa.

O grosso deste crescimento ocorrerá em África.

The food and agricultural organizations of the world

As organizações alimentares e agrícolas mundiais

have suggested that we need a 70 percent increase

têm sugerido que precisamos de 70% de aumento

in current agricultural practice

na prática atual da agricultura

to meet that demand.

para satisfazer essa procura.

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

Dado que essas plantas são a base da cadeia alimentar,

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

a maior parte terá que ter origem nas plantas.

That percentage of 70 percent

Mas esta percentagem de 70%

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

não tem em consideração os efeitos possíveis da alteração climática.

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

Isto é retirado de um estudo de Dai, publicado em 2011,

where he took into consideration

em que ele teve em consideração

all the potential effects of climate change

todos os efeitos possíveis da alteração climática

and expressed them -- amongst other things --

e traduziu-os — entre outras coisas —

increased aridity due to lack of rain or infrequent rain.

numa aridez acrescida devido à falta de chuvas ou a chuvas escassas.

The areas in red shown here,

As áreas a vermelho que aqui se veem

are areas that until recently

são áreas que, até há pouco tempo,

have been very successfully used for agriculture,

eram utilizadas com êxito para a agricultura

but cannot anymore because of lack of rainfall.

mas já deixaram de o ser por causa da falta de precipitação.

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

Esta é a situação que se prevê venha a acontecer em 2050.

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

Grande parte de África, ou melhor, grande parte do mundo

is going to be in trouble.

vai ter problemas.

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

Vamos ter que pensar em formas inteligentes de produzir alimentos.

And preferably among them, some drought-tolerant crops.

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

The other thing to remember about Africa is

Outra coisa a não esquecer sobre a África

that most of their agriculture is rainfed.

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

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

Ora bem, fazer culturas resistentes à seca não é uma coisa muito fácil.

And the reason for this is water.

A razão para isso é a água.

Water is essential to life on this planet.

A água é essencial à vida neste planeta.

All living, actively metabolizing organisms,

Todos os organismos vivos, que metabolizam ativamente,

desde os micróbios a todos nós,

from microbes to you and I,

are comprised predominately of water.

são formados predominantemente por água.

All life reactions happen in water.

Todas as reações da vida acontecem na água.

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

A perda duma pequena quantidade de água traduz-se na morte.

You and I are 65 percent water --

Nós somos formados por 65% de água

we lose one percent of that, we die.

— se perdermos 1%, morremos.

But we can make behavioral changes to avoid that.

Mas podemos fazer mudanças comportamentais para impedir isso.

Plants can't.

As plantas não podem.

They're stuck in the ground.

Estão presas ao solo.

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

Portanto, para começar, elas têm um pouco mais água do que nós,

about 95 percent water,

têm cerca de 95% de água

and they can lose a little bit more than us,

e podem perder um pouco mais do que nós,

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

cerca de 10 a 70%, consoante as espécies,

but for short periods only.

mas só durante pequenos períodos.

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

A maior parte delas vão tentar resistir ou impedir a perda de água.

So extreme examples of resistors can be found in succulents.

Encontramos exemplos extremos de resistência nas plantas suculentas.

They tend to be small, very attractive,

São habitualmente pequenas, muito atraentes,

but they hold onto their water at such great cost

mas retêm a sua água com tanta dificuldade

that they grow extremely slowly.

que crescem extremamente devagar.

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

Encontramos exemplos de contenção de perda de água nas árvores e arbustos.

They send down very deep roots,

Desenvolvem raízes muito profundas,

mine subterranean water supplies

procuram fontes de águas subterrâneas

and just keep flushing it through them at all times,

e mantêm-se ligadas a elas permanentemente.

keeping themselves hydrated.

para se manterem hidratadas.

The one on the right is called a baobab.

Esta da direita chama-se baobá.

It's also called the upside-down tree,

Também lhe chamam a árvore de pernas para o ar,

simply because the proportion of roots to shoots is so great

porque a proporção das raízes em relação aos rebentos é tão grande

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

que parece que a árvore foi plantada ao contrário.

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

Claro que as raízes são necessárias para a hidratação da planta.

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

Provavelmente, é nas plantas anuais

que encontramos a estratégia mais vulgar de contenção

Annuals make up the bulk of our plant food supplies.

As plantas anuais formam o grosso das nossas plantas alimentares.

Up the west coast of my country,

Por toda a costa oeste do meu país,

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

durante a maior parte do ano, não vemos grande crescimento de vegetação.

But come the spring rains, you get this:

Mas quando chegam as chuvas da primavera, assistimos a isto:

flowering of the desert.

o deserto floresce.

The strategy in annuals,

A estratégia das plantas anuais

is to grow only in the rainy season.

é crescer apenas na estação das chuvas.

At the end of that season they produce a seed,

No final de cada estação, produzem uma semente,

which is dry, eight to 10 percent water,

que é seca, com 8 a 10% de água,

but very much alive.

mas muito cheia de vida.

And anything that is that dry and still alive,

Chamamos "resistente à seca" tudo o que é seco e mantém vida.

we call desiccation-tolerant.

In the desiccated state,

No estado ressequido,

what seeds can do is lie in extremes of environment

as sementes mantêm-se em ambientes rigorosos

for prolonged periods of time.

durante prolongados períodos de tempo.

The next time the rainy season comes,

Quando chega a estação chuvosa seguinte,

they germinate and grow,

germinam e crescem e todo o ciclo recomeça.

and the whole cycle just starts again.

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

Crê-se que a evolução das sementes resistentes à seca

allowed the colonization and the radiation

permitiu a colonização e a disseminação no terreno

of flowering plants, or angiosperms, onto land.

de plantas que dão flor — as angiospermas.

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

Mas voltemos às plantas anuais enquanto principal forma de alimento.

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

O trigo, o arroz e o milho formam 95% dos nossos alimentos à base de plantas.

And it's been a great strategy

Tem sido uma boa estratégia

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

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

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

As sementes são ricas em energia, portanto há muitas calorias alimentares

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

que podemos guardar em épocas de abundância para as épocas de fome.

but there's a downside.

Mas há um inconveniente.

The vegetative tissues,

Os tecidos vegetativos, as raízes e folhas das plantas anuais

the roots and leaves of annuals,

do not have much

não têm muitas características inerentes

by way of inherent resistance, avoidance or tolerance characteristics.

de resistência, de contenção ou tolerância.

They just don't need them.

A verdade é que não precisam disso.

They grow in the rainy season

Crescem na estação das chuvas

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

e têm uma semente que as ajuda a sobreviver no resto do ano.

And so despite concerted efforts in agriculture

Por isso, apesar dos esforços concertados na agricultura

to make crops with improved properties

para fomentar culturas com propriedades melhoradas,

of resistance, avoidance and tolerance --

especialmente de resistência, contenção e tolerância

particularly resistance and avoidance

— porque tivemos bons modelos para percebermos como funcionam —

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

we still get images like this.

continuamos a ver imagens como esta.

Maize crop in Africa,

A cultura do milho em África,

two weeks without rain

após duas semanas sem chuvas, está morta.

and it's dead.

There is a solution:

Mas há uma solução:

resurrection plants.

plantas que ressuscitam.

These plants can lose 95 percent of their cellular water,

Estas plantas podem perder 95% da sua água celular,

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

mantendo-se num estado seco, como mortas, durante meses ou anos.

and give them water,

Damos-lhes água

they green up and start growing again.

e elas reverdecem e começam a crescer outra vez.

Like seeds, these are desiccation-tolerant.

Tal como as sementes, são resistentes à seca.

Like seeds, these can withstand extremes of environmental conditions.

Tal como as sementes, podem aguentar condições ambientais rigorosas.

And this is a really rare phenomenon.

Isto é um fenómeno raro.

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

Das plantas que dão flor só 135 conseguem fazer isso.

I'm going to show you a video

Vou mostrar-vos um vídeo

of the resurrection process of these three species

do processo de ressurreição destas três espécies, por esta ordem.

in that order.

And at the bottom,

Em baixo, há um eixo do tempo,

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

portanto podem ver a rapidez com que acontece.

(Applause)

(Aplausos)

Pretty amazing, huh?

Espantoso, não é?

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

Passei os últimos 21 anos a tentar perceber como é que fazem isto.

How do these plants dry without dying?

Como é que estas plantas secam sem morrer?

And I work on a variety of different resurrection plants,

Trabalho com uma série de diferentes plantas que ressuscitam,

shown here in the hydrated and dry states,

que mostro aqui nos estados hidratados e desidratados

for a number of reasons.

por uma série de razões.

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

Uma delas é que cada uma destas plantas serve de modelo

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

para uma cultura que eu gostaria de tornar resistente à seca.

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

Assim, no canto superior esquerdo, por exemplo, é uma erva.

it's called Eragrostis nindensis,

Chama-se Eragrostis nindensis,

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

Tem uma parente próxima que se chama Eragrostis tef

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

— provavelmente conhecem-na por "teff" —

it's a staple food in Ethiopia,

que é um alimento comum na Etiópia, isento de glúten.

it's gluten-free,

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

É uma coisa que gostaríamos de tornar resistente à seca.

The other reason for looking at a number of plants,

A outra razão para procurar uma série de plantas

is that, at least initially,

é que, pelo menos de início,

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

eu queria saber se todas faziam o mesmo.

Do they all use the same mechanisms

Será que usam os mesmos mecanismos

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

para conseguirem perder toda a água sem morrerem?

So I undertook what we call a systems biology approach

Dediquei-me ao que chamamos uma abordagem de biologia de sistemas

in order to get a comprehensive understanding

a fim de obter uma compreensão abrangente da tolerância à seca,

of desiccation tolerance,

em que procuramos tudo,

in which we look at everything

from the molecular to the whole plant, ecophysiological level.

desde o nível molecular até ao nível ecofisiológico de toda a planta.

For example we look at things like

Por exemplo, observamos coisas

changes in the plant anatomy as they dried out

como as alterações na anatomia da planta à medida que ela vai secando

and their ultrastructure.

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

e na sua ultraestrutura.

Observamos o transcriptoma, que é um termo para uma tecnologia

in which we look at the genes

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

em que observamos os genes

que estão ligados ou não, em reação à secagem.

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

A maior parte dos genes codificam proteínas,

portanto observamos o proteoma.

What are the proteins made in response to drying?

De que são feitas as proteínas em reação à secagem?

Some proteins would code for enzymes which make metabolites,

Algumas proteínas codificam enzimas que formam os metabólitos,

so we look at the metabolome.

portanto observamos o metaboloma.

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

Isto é importante porque as plantas estão presas no solo.

They use what I call a highly tuned chemical arsenal

Usam uma coisa a que eu chamo um arsenal químico extremamente afinado

to protect themselves from all the stresses of their environment.

para se protegerem de todas as agressões do seu ambiente.

So it's important that we look

Por isso, é importante que observemos

at the chemical changes involved in drying.

as alterações químicas envolvidas quando secam.

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

No último estudo que fizemos, a nível molecular,

we look at the lipidome --

observámos o lipidoma

the lipid changes in response to drying.

— as alterações dos lípidos em reação à secagem.

And that's also important

because all biological membranes are made of lipids.

Isto também é importante

porque as membranas biológicas são feitas de lípidos.

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

Funcionam como membranas porque estão dentro de água,

Take away the water, those membranes fall apart.

tirem a água e essas membranas desaparecem.

Lipids also act as signals to turn on genes.

Os lípidos também atuam como sinais para ativar os genes.

Then we use physiological and biochemical studies

Depois usámos 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 acabámos por descobrir nos nossos estudos.

And then use all of that to try and understand

Depois usámos tudo isso para tentar perceber

how the plant copes with its natural environment.

como a planta interage com o seu ambiente natural.

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

Sempre tive esta filosofia de que precisava duma compreensão abrangente

of the mechanisms of desiccation tolerance

dos mecanismos de tolerância à secagem

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

para poder fazer uma sugestão com sentido para uma aplicação biótica.

I'm sure some of you are thinking,

De certeza que estão a pensar:

"By biotic application,

"Aplicação biótica?

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

"Ela está a dizer que vai fazer culturas geneticamente modificadas?"

And the answer to that question is:

A resposta a essa pergunta é:

depends on your definition of genetic modification.

depende de qual é a vossa definição de modificação genética.

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

Todas as culturas que comemos hoje — trigo, pastos e milho —

are highly genetically modified from their ancestors,

são modificadas geneticamente em relação aos seus antepassados,

but we don't consider them GM

mas não os consideramos OGMs

because they're being produced by conventional breeding.

porque estão a ser produzidas por reprodução convencional.

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

Se pensam que vou colocar nas culturas genes de plantas de ressurreição,

your answer is yes.

a resposta é: vou.

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

Ao longo do tempo, tentámos essa abordagem.

More appropriately, some of my collaborators at UCT,

Mais propriamente, alguns dos meus colaboradores na UCT,

Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen,

Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen,

have spearheaded that approach

foram pioneiros nessa abordagem

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

e já vos mostro alguns dados.

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

Mas estamos prestes a aventurar-nos numa abordagem extremamente ambiciosa,

in which we aim to turn on whole suites of genes

em que vamos tentar ativar séries inteiras de genes

that are already present in every crop.

que já estão presentes em todas as culturas.

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

Só que nunca estão ativos em condições de seca extrema.

I leave it up to you to decide

Agora, vocês que decidam

whether those should be called GM or not.

se lhes devemos chamar OGMs ou não.

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

Agora vou dar-vos alguns dos dados dessa primeira abordagem.

Para isso, tenho que explicar um pouco como funcionam os genes.

And in order to do that

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

So you probably all know

Provavelmente já sabem que os genes são feitos duma cadeia dupla de ADN

that genes are made of double-stranded DNA.

It's wound very tightly into chromosomes

que está enrolada apertadamente em cromossomas

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

que estão presentes em toda as células do nosso corpo ou no corpo duma planta.

If you unwind that DNA, you get genes.

Se desenrolarmos esse ADN, obtemos genes.

And each gene has a promoter,

Cada gene tem um promotor,

which is just an on-off switch,

que é um interruptor liga-desliga,

the gene coding region,

a região de codificação do gene

and then a terminator,

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

e depois um terminador,

que indica que este é o final deste gene, onde se inicia o gene seguinte.

Now, promoters are not simple on-off switches.

Os promotores não são simples interruptores liga-desliga.

They normally require a lot of fine-tuning,

Normalmente exigem uma grande afinação,

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

a presença de muitas coisas, corretas, antes de o gene ser ativado.

So what's typically done in biotech studies

O que normalmente se faz em estudos biotécnicos

is that we use an inducible promoter,

é usar um promotor induzível.

we know how to switch it on.

Sabemos como ligá-lo,

We couple that to genes of interest

acoplamo-lo aos genes que nos interessam

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

e colocamo-lo numa planta para ver como a planta reage.

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

No estudo de que vou falar

my collaborators used a drought-induced promoter,

os meus colaboradores usaram um promotor que induz uma secagem,

which we discovered in a resurrection plant.

que descobrimos numa planta que ressuscita.

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

O que este promotor tem de bom é que nós não fazemos nada.

The plant itself senses drought.

A planta sente a seca.

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

Usámo-lo para introduzir genes antioxidantes das plantas que ressuscitam.

Why antioxidant genes?

Porquê genes antioxidantes?

Well, all stresses, particularly drought stress,

Todas as agressões, em especial as agressões da seca,

results in the formation of free radicals,

resultam na formação de radicais livres,

or reactive oxygen species,

ou de espécies de oxigénio reativo,

which are highly damaging and can cause crop death.

que são profundamente prejudiciais e podem provocar a morte da cultura.

What antioxidants do is stop that damage.

Os antioxidantes impedem esses danos.

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

Estes são alguns dados duma variedade de milho

que é de uso muito vulgar em África.

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

À esquerda da seta estão plantas sem os genes.

to the right --

plants with the antioxidant genes.

À direita, plantas com os genes antioxidantes.

After three weeks without watering,

Ao fim de três semanas sem serem regadas,

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

as que têm genes portam-se muito melhor.

Now to the final approach.

Agora a abordagem final.

My research has shown that there's considerable similarity

A minha investigação mostrou que há uma semelhança significativa

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

nos mecanismos de tolerância à secagem em sementes e em plantas que ressuscitam.

So I ask the question,

Portanto, pergunto:

are they using the same genes?

Estarão a usar os mesmos genes?

Or slightly differently phrased,

Ou, dito de outra maneira,

are resurrection plants using genes evolved in seed desiccation tolerance

as plantas que ressuscitam estarão a usar genes

que evoluíram na tolerância à secagem nas sementes

in their roots and leaves?

nas raízes e nas folhas?

Have they retasked these seed genes

Terão reformulado a função desses genes das sementes

in roots and leaves of resurrection plants?

nas raízes e folhas das plantas que ressuscitam?

And I answer that question,

E respondo a esta pergunta.

as a consequence of a lot of research from my group

Em resultado de muita investigação do meu grupo

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

e de colaborações recentes com um grupo de Henk Hilhorst na Holanda,

Mel Oliver in the United States

de Mel Oliver, nos EUA

and Julia Buitink in France.

e de Julia Buitink, em França,

The answer is yes,

a resposta é: sim.

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

Há um conjunto básico de genes que estão envolvidos nas duas coisas.

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

Vou ilustrar isso muito cruamente, em relação ao milho,

where the chromosomes below the off switch

em que os cromossomas, abaixo do interruptor de desativação

represent all the genes that are required for desiccation tolerance.

representam todos os genes necessários para a tolerância à secagem.

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

Assim, quando as sementes do milho secam no fim do seu período de desenvolvimento,

they switch these genes on.

elas ativam esses genes.

Resurrection plants switch on the same genes

As plantas que ressuscitam ativam os mesmos genes, quando secam.

when they dry out.

All modern crops, therefore,

Portanto, todas as culturas modernas

have these genes in their roots and leaves,

têm esses genes nas raízes e nas folhas,

they just never switch them on.

mas nunca os ativam.

They only switch them on in seed tissues.

Só os ativam nos tecidos das sementes.

So what we're trying to do right now

Neste momento, estamos a tentar compreender

is to understand the environmental and cellular signals

os sinais ambientais e celulares

that switch on these genes in resurrection plants,

que ativam esses genes nas plantas que ressuscitam,

para reproduzir o processo nas culturas.

to mimic the process in crops.

And just a final thought.

Agora um pensamento final.

What we're trying to do very rapidly

O que estamos a tentar fazer, muito rapidamente,

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

é repetir o que a natureza fez na evolução das plantas que ressuscitam

some 10 to 40 million years ago.

há uns 10 a 40 milhões de anos.

My plants and I thank you for your attention.

As minhas plantas e eu agradecemos a vossa atenção.

(Applause)

(Aplausos)