How we can make crops survive without water | Jill Farrant

Traducător: Razvan Cristian Duia Corector: Delia Bogdan

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

Cred că secretul producerii culturilor rezistente la seceta extremă,

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

care ar putea să confere siguranţă alimentară lumii,

lies in resurrection plants,

stă în plantele care învie,

pictured here, in an extremely droughted state.

prezentate aici, într-o stare extrem de uscată.

You might think that these plants look dead,

Aţi crede că aceste plante par moarte, dar nu sunt.

but they're not.

Give them water,

Daţi-le apă,

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

şi vor învia, vor înverzi, vor începe să crească în 12 - 48 de ore.

Now, why would I suggest

De ce aş sugera

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

că producerea plantelor rezistente la secetă va genera securitate alimentară?

Well, the current world population is around 7 billion.

Populaţia actuală a Pământului e de aproape 7 miliarde.

And it's estimated that by 2050,

Se estimează că până în 2050,

we'll be between 9 and 10 billion people,

vom fi între 9 şi 10 miliarde de oameni,

with the bulk of this growth happening in Africa.

majoritatea acestei creşteri producându-se în Africa.

The food and agricultural organizations of the world

Organizaţia pentru Alimentaţie şi Agricultură

have suggested that we need a 70 percent increase

a estimat că avem nevoie de o creştere de 70%

in current agricultural practice

a producţiei agricole actuale

to meet that demand.

ca să acoperim cererea.

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

Plantele fiind la baza lanțului alimentar,

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

cea mai mare parte vine de la ele.

That percentage of 70 percent

Procentul de 70% nu ține cont de eventualele schimbări climatice.

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

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

E un extras dintr-un studiu DAI din 2011,

where he took into consideration

care a luat în considerare toate efectele posibile ale schimbărilor climatice

all the potential effects of climate change

and expressed them -- amongst other things --

și le exprimă, printre altele ca:

increased aridity due to lack of rain or infrequent rain.

ariditate crescută cauzată de lipsa ploilor sau de ploile rare.

The areas in red shown here,

Zonele roșii de aici

are areas that until recently

sunt zone care până de curând

have been very successfully used for agriculture,

au fost cultivate cu succes,

but cannot anymore because of lack of rainfall.

dar nu mai pot fi, din cauza lipsei precipitațiilor.

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

Aceasta e situația preconizată pentru 2050.

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

Mare parte a Africii, de fapt mare parte a lumii, va avea probleme.

is going to be in trouble.

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

Va trebui să gândim procedee foarte inteligente prin care să producem hrana

And preferably among them, some drought-tolerant crops.

şi ar fi bine ca între ele să fie câteva culturi rezistente la secetă.

The other thing to remember about Africa is

Celălalt lucru de amintit despre Africa

that most of their agriculture is rainfed.

e că majoritatea culturilor lor depind de apa de ploaie.

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

Să faci culturi rezistente la secetă nu e cel mai uşor lucru din lume.

And the reason for this is water.

Motivul e apa.

Water is essential to life on this planet.

Apa e esenţială vieţii pe această planetă.

All living, actively metabolizing organisms,

Toate organismele vii cu metabolism activ,

from microbes to you and I,

de la microbi la voi şi la mine,

are comprised predominately of water.

sunt compuse predominant din apă.

All life reactions happen in water.

Toate reacţiile vieţii se produc în apă.

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

Pierderea unei mici cantităţi de apă, duce la moarte.

You and I are 65 percent water --

Noi avem 65 % apa;

we lose one percent of that, we die.

pierdem 1% din asta, murim.

But we can make behavioral changes to avoid that.

Dar ne putem adapta comportamental ca să evităm asta.

Plants can't.

Plantele nu pot. Ele sunt fixate în pământ.

They're stuck in the ground.

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

La început au mai multă apă decât noi, – cam 95% apă –

about 95 percent water,

and they can lose a little bit more than us,

şi pot pierde ceva mai mult decât noi, – între 10 şi 70%, funcţie de specie –

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

but for short periods only.

dar numai pentru scurt timp.

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

Majoritatea vor încerca să reziste sau să evite pierderea apei.

So extreme examples of resistors can be found in succulents.

Exemple extreme de plante rezistente sunt cele suculente.

They tend to be small, very attractive,

Tind să fie mici, foarte atractive,

but they hold onto their water at such great cost

dar menţin apa cu efortuti atât de mari încât cresc extrem de greu.

that they grow extremely slowly.

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

Exemple de evitare a pierderii apei se găsesc la copaci şi arbuşti.

They send down very deep roots,

Îşi înfig foarte adânc rădăcinile, extrag apă din rezervele subterane

mine subterranean water supplies

and just keep flushing it through them at all times,

şi o circulă prin ele continuu, menţinându-se hidratate.

keeping themselves hydrated.

The one on the right is called a baobab.

Cea din dreapta e un baobab, numit și copacul răsturnat,

It's also called the upside-down tree,

simply because the proportion of roots to shoots is so great

pentru că raportul dintre rădăcini şi ramuri e atât de mare

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

încât copacul pare plantat cu susul în jos.

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

Desigur rădăcinile sunt necesare pentru hidratarea plantei.

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

Poate cea mai comună strategie de evitare o găsim la plantele anuale.

Annuals make up the bulk of our plant food supplies.

Majoritatea hranei noastre vegetale e formată din plante anuale.

Up the west coast of my country,

Pe coasta de vest a ţării mele,

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

în majoritatea anului nu prea creşte vegetaţia

But come the spring rains, you get this:

dar când vin ploile de primăvară, avem:

flowering of the desert.

înflorirea deşertului.

The strategy in annuals,

Strategia în cazul anualelor e să se dezvolte în sezonul ploios.

is to grow only in the rainy season.

At the end of that season they produce a seed,

La sfârşitul acelui sezon, ele produc sămânţa,

which is dry, eight to 10 percent water,

care e uscată, 8 - 10% apă, dar foarte vie.

but very much alive.

And anything that is that dry and still alive,

Orice e atât de uscat, dar încă viu, spunem că e rezistent la desicare.

we call desiccation-tolerant.

In the desiccated state,

În stare desicată seminţele rezistă în condiţii extreme perioade lungi.

what seeds can do is lie in extremes of environment

for prolonged periods of time.

The next time the rainy season comes,

La următorul sezon ploios, ele germinează şi cresc,

they germinate and grow,

and the whole cycle just starts again.

şi întregul ciclu începe din nou.

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

Mulţi cred că evoluţia seminţelor rezistente la desicare

allowed the colonization and the radiation

a făcut posibilă colonizarea şi răspândirea plantelor care înfloresc

of flowering plants, or angiosperms, onto land.

– a angiospermelor – pe uscat.

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

Înapoi la anuale, principala noastră formă de rezervă de hrană.

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

Grâul, orezul şi porumbul formează 95% din hrana noatră vegetală.

And it's been a great strategy

O strategie grozavă

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

pentru că poţi produce multe seminţe în timp scurt.

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

Seminţele sunt bogate în energie, multe calorii alimentare

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

pot fi stocate în vremuri de belşug pentru perioadele de foamete,

but there's a downside.

dar au şi un dezavantaj:

The vegetative tissues,

țesutul vegetativ, rădăcinile şi frunzele anualelor,

the roots and leaves of annuals,

do not have much

nu au rezistență ereditară sau adaptare la evitarea sau tolerarea secetei.

by way of inherent resistance, avoidance or tolerance characteristics.

They just don't need them.

Pur şi simplu nu au nevoie.

They grow in the rainy season

Se dezvoltă în sezonul ploios

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

şi au seminţe care le ajută să supravieţuiască restul anului.

And so despite concerted efforts in agriculture

Astfel, în ciuda eforturilor concertate în agricultură,

to make crops with improved properties

ca să se realizeze culturi cu proprietăţi îmbunătăţite

of resistance, avoidance and tolerance --

privind rezistenţa, evitarea şi toleranţa-

particularly resistance and avoidance

mai ales rezistenţa şi evitarea,

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

pentru că am avut modele bune ca să le înţelegem -

we still get images like this.

încă vedem imagini ca aceasta:

Maize crop in Africa,

Cultură de porumb în Africa,

two weeks without rain

două săptămâni fără apă

and it's dead.

şi e moartă.

There is a solution:

Există o soluţie:

resurrection plants.

plante care învie.

These plants can lose 95 percent of their cellular water,

Aceste plante pot să piardă 95% din apa celulară,

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

să rămână într-un mediu uscat, ca şi moarte, luni, până la ani

and give them water,

şi dă-le apă:

they green up and start growing again.

înverzesc şi încep să crească din nou.

Like seeds, these are desiccation-tolerant.

Ca şi seminţele, acestea sunt rezistente la uscare.

Like seeds, these can withstand extremes of environmental conditions.

Ca şi seminţele, pot rezista condiţiilor de mediu extreme.

And this is a really rare phenomenon.

Acesta e un fenomen foarte rar.

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

Sunt numai 135 de specii de angiosperme ce pot face asta.

I'm going to show you a video

Vă voi arăta o filmare

of the resurrection process of these three species

a procesului de înviere a acestor trei specii,

in that order.

în această ordine.

And at the bottom,

În partea de jos,

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

e axa timpului, ca să vedeţi cât de repede se întâmplă.

(Applause)

(Aplauze)

Pretty amazing, huh?

Uimitor, nu?

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

Mi-am petrecut ultimii 21 de ani încercând să înţeleg cum fac ele asta.

How do these plants dry without dying?

Cum se usucă aceste plante fără să moară?

And I work on a variety of different resurrection plants,

Am lucrat cu diverse plante care învie,

shown here in the hydrated and dry states,

prezentate aici în stare uscată,

for a number of reasons.

din mai multe motive.

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

Unul din ele e că fiecare din aceste plante serveşte ca model

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

pentru o alta pe care o vreau rezistentă la secetă.

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

În stânga sus, de exemplu, e o iarbă,

it's called Eragrostis nindensis,

se numeşte Eragrostis nindensis,

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

are o rudă apropiată numită Eragrostis tef -

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

mulţi s-ar putea să o ştiţi ca "teff"-

it's a staple food in Ethiopia,

e hrană de bază în Etiopia,

it's gluten-free,

nu conţine gluten,

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

şi am dori să o facem rezistentă la secetă.

The other reason for looking at a number of plants,

Celălalt motiv pentru cercetarea unor plante,

is that, at least initially,

e că, cel puţin iniţial,

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

am vrut să aflu: fac ele acelaşi lucru?

Do they all use the same mechanisms

Folosesc toate aceleaşi mecanisme

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

ca să poată pierde atâta apă fără să moară?

So I undertook what we call a systems biology approach

Aşa că am încercat o abordare numită biologie sistemică

in order to get a comprehensive understanding

pentru a înţelege în detaliu toleranţa la desicare,

of desiccation tolerance,

in which we look at everything

în care cercetăm tot de la nivel molecular la întrega plantă, ecofiziologic.

from the molecular to the whole plant, ecophysiological level.

For example we look at things like

De exemplu urmărim schimbările din anatomia plantei în timpul uscării

changes in the plant anatomy as they dried out

and their ultrastructure.

şi ultrastructura lor.

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

Cercetăm transcriptomul,

– o tehnologie prin care studiem dacă genele sunt activate sau nu,

in which we look at the genes

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

ca urmare a uscării.

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

Majoritatea genelor codează proteine aşa că cercetăm proteomul.

What are the proteins made in response to drying?

Ce proteine se produc ca răspuns la uscare?

Some proteins would code for enzymes which make metabolites,

Unele proteine proteine vor coda enzime care fac metaboliţi,

so we look at the metabolome.

aşa că cercetăm metabolomul.

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

E important, pentru că plantele sunt fixate în pământ.

They use what I call a highly tuned chemical arsenal

Ele folosesc un arsenal chimic foarte specializat

to protect themselves from all the stresses of their environment.

pentru a se proteja de toate constrângerile mediului în care trăiesc.

So it's important that we look

E important să cercetăm

at the chemical changes involved in drying.

schimbările chimice ce se produc la uscare.

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

În ultimul studiu pe care l-am făcut la nivel molecular,

we look at the lipidome --

am cercetat lipidomul – răspunsul lipidelor la uscare.

the lipid changes in response to drying.

And that's also important

Acest lucru e important

because all biological membranes are made of lipids.

pentru că toate membranele biologice sunt făcute din lipide.

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

Formează membrane pentru că sunt în apă.

Take away the water, those membranes fall apart.

Dacă iei apa, membranele se prăbuşesc.

Lipids also act as signals to turn on genes.

Lipidele actionează şi ca semnale pentru activarea genelor.

Then we use physiological and biochemical studies

Apoi folosim studii fiziologice şi biochimice

to try and understand the function of the putative protectants

ca să încercăm să înţelegem funcţiile presupuşilor protectori

that we've actually discovered in our other studies.

pe care i-am descoperit în alte studii.

And then use all of that to try and understand

Folosind toate astea încercăm să înţelegem

how the plant copes with its natural environment.

cum face faţă planta mediului său natural.

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

Mereu am considerat că trebuie să înţeleg în detaliu

of the mechanisms of desiccation tolerance

mecanismele toleranţei la desicare

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

ca să fac o propunere pertinentă de aplicaţie biotică.

I'm sure some of you are thinking,

Sunt sigură că unii gândiţi:

"By biotic application,

„Prin aplicaţie biotică,

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

vrea să spună că va crea culturi modificate genetic?"

And the answer to that question is:

Răspunsul la această întrebare e:

depends on your definition of genetic modification.

depinde ce înţelegeţi prin modificare genetică.

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

Toate culturile pe care le consumăm azi, grâu, orez, porumb,

are highly genetically modified from their ancestors,

sunt foarte modificate genetic faţă de strămoşii lor,

but we don't consider them GM

dar nu le considerăm modificate genetic

because they're being produced by conventional breeding.

pentru că sunt produse prin înmulţire convenţională.

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

Dacă întrebarea e: voi pune gene ale plantelor care învie în culturi?

your answer is yes.

Răspunsul e da.

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

Ca să câştigăm timp, am încercat această abordare.

More appropriately, some of my collaborators at UCT,

Mai precis, câţiva colaboratori ai mei de la UCT,

Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen,

Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen,

have spearheaded that approach

au deschis acest drum

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

şi vă voi arăta curând câteva rezultate.

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

Vrem să demarăm o abordare foarte ambiţioasă,

in which we aim to turn on whole suites of genes

în care dorim să activăm pachete întregi de gene

that are already present in every crop.

care sunt deja prezente în toate culturile.

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

Doar că nu au mai fost activate în condiţii de secetă extremă.

I leave it up to you to decide

Vă las pe voi să decideţi

whether those should be called GM or not.

daca asta e modificare genetică sau nu.

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

Acum vă voi prezenta câteva date din acea primă abordare.

And in order to do that

Pentru a face asta,

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

trebuie să explic puţin cum funcţionează genele.

So you probably all know

Probabil că ştiţi:

that genes are made of double-stranded DNA.

genele sunt formate din spirale duble de ADN

It's wound very tightly into chromosomes

împletite strâns în cromozomi

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

prezenți în fiecare celulă a corpului nostru sau al plantelor.

If you unwind that DNA, you get genes.

Dacă desfăşori acel ADN, obţii gene.

And each gene has a promoter,

Fiecare genă are un activator,

which is just an on-off switch,

care e doar un întrerupător pornit / oprit,

the gene coding region,

zona de codare a genei

and then a terminator,

şi apoi un terminator,

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

care indică sfârşitul genei, și începe următoarea genă.

Now, promoters are not simple on-off switches.

Promotorii nu sunt simple întrerupătoare pornit / oprit.

They normally require a lot of fine-tuning,

În mod normal, ei necesită multă calibrare,

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

multe lucruri trebuie să fie prezente şi corecte, înainte ca gena să fie activată.

So what's typically done in biotech studies

Ce se face uzual în studiile biotehnice

is that we use an inducible promoter,

e că folosim un promotor inductibil,

we know how to switch it on.

pe care ştim cum să îl activăm.

We couple that to genes of interest

Îl ataşăm genelor care ne interesează,

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

le punem într-o plantă şi urmărim răspunsul acesteia.

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

În studiul despre care voi vorbi,

my collaborators used a drought-induced promoter,

colegii mei au folosit un promotor indus de secetă,

which we discovered in a resurrection plant.

pe care l-am descoperit într-o plantă care învie.

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

Interesant în cazul acestui promotor e că noi nu facem nimic.

The plant itself senses drought.

Planta simte seceta automat.

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

L-am folosit să stimulăm genele antioxidante din plantele care învie.

Why antioxidant genes?

De ce genele antioxidante?

Well, all stresses, particularly drought stress,

Ei bine, toate solicitările, în special seceta,

results in the formation of free radicals,

provoacă formarea radicalilor liberi,

or reactive oxygen species,

sau specii reactive de oxigen,

which are highly damaging and can cause crop death.

care sunt foarte distructive şi pot duce la moartea culturii.

What antioxidants do is stop that damage.

Antioxidanţii opresc această distrugere.

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

Aici e un studiu privind un soi de porumb care e foarte răspândit în Africa.

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

La stânga săgeţii sunt plantele fără gene,

to the right --

la dreapta, plantele cu gene antioxidante.

plants with the antioxidant genes.

After three weeks without watering,

După trei săptămâni fără apă,

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

cele cu genele o duc mult mai bine.

Now to the final approach.

Acum, abordarea finală.

My research has shown that there's considerable similarity

Cercetările mele au arătat că există asemănări considerabile

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

între mecanismele de rezistenţă la uscare ale seminţelor şi ale plantelor ce învie.

So I ask the question,

M-am întrebat dacă folosesc aceleași gene?

are they using the same genes?

Or slightly differently phrased,

Adică: plantele care învie folosesc genele toleranței la desicare ale semințelor

are resurrection plants using genes evolved in seed desiccation tolerance

in their roots and leaves?

pentru rădăcini şi frunze? Le-au realocat același efect în rădăcini și frunze?

Have they retasked these seed genes

in roots and leaves of resurrection plants?

And I answer that question,

Am găsit răspunsul în multiplele cercetări efectuate de grupul meu,

as a consequence of a lot of research from my group

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

şi o colaborare recentă cu grupul lui Henk Hillhorst din Olanda,

Mel Oliver in the United States

cu Mel Oliver din Statele Unite şi Julia Buitink din Franţa.

and Julia Buitink in France.

The answer is yes,

Răspunsul este da,

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

există un nucleu de gene implicate în ambele cazuri.

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

Voi ilustra acest lucru foarte simplist pentru porumb,

where the chromosomes below the off switch

unde cromozomii de sub întrerupător

represent all the genes that are required for desiccation tolerance.

reprezintă toate genele necesare pentru rezistenţa la desicare.

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

La sfârşitul perioadei de dezvoltare, pe măsură ce se usucă,

they switch these genes on.

seminţele de porumb activează aceste gene.

Resurrection plants switch on the same genes

Plantele care învie activează aceleaşi gene atunci când se usucă.

when they dry out.

All modern crops, therefore,

Așadar, toate culturile moderne au aceste gene în rădăcini şi frunze,

have these genes in their roots and leaves,

they just never switch them on.

doar că nu le activează niciodată.

They only switch them on in seed tissues.

Le activează doar în seminţe.

So what we're trying to do right now

Acum încercăm să înţelegem semnalele celulare şi din mediu

is to understand the environmental and cellular signals

that switch on these genes in resurrection plants,

care activează aceste gene în plantele care învie,

to mimic the process in crops.

ca să reproducem procesul la culturi.

And just a final thought.

Ca un gând final:

What we're trying to do very rapidly

ce încercăm noi să facem foarte rapid

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

e să repetăm ce a făcut natura în evoluţia plantelor care învie,

some 10 to 40 million years ago.

acum cam 10 - 40 de milioane de ani.

My plants and I thank you for your attention.

Eu şi plantele mele vă mulţumim pentru atenție.

(Applause)

(Aplauze)