How we can make crops survive without water | Jill Farrant

Переводчик: Alexander Chepurnoy Редактор: Anna Kotova

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

Я считаю, что секрет производства чрезвычайно засухоустойчивых культур,

которые должны в некоторой мере улучшить продовольственную безопасность,

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

lies in resurrection plants,

заключается в воскресающих растениях,

pictured here, in an extremely droughted state.

которые показаны здесь в чрезвычайно высохшем состоянии.

You might think that these plants look dead,

Вам может показаться, что эти растения выглядят мёртвыми,

but they're not.

но это не так.

Give them water,

Дайте им воду,

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

и они воскреснут, зазеленеют и начнут расти в течение 12–48 часов.

Now, why would I suggest

Почему я предполагаю,

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

что производство засухоустойчивых культур укрепит продовольственную безопасность?

Well, the current world population is around 7 billion.

На сегодня население земного шара составляет 7 миллиардов.

And it's estimated that by 2050,

И по оценкам, к 2050 году

we'll be between 9 and 10 billion people,

нас будет от 9 до 10 миллиардов,

with the bulk of this growth happening in Africa.

причём основной рост произойдёт в Африке.

The food and agricultural organizations of the world

Продовольственные и сельскохозяйственные организации мира

have suggested that we need a 70 percent increase

предположили, что нам потребуется 70-процентный рост

in current agricultural practice

текущей сельскохозяйственной практики,

to meet that demand.

чтобы удовлетворить этот спрос.

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

Поскольку растения — это основа пищевой цепочки,

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

наибольший скачок должен произойти за счёт растений.

That percentage of 70 percent

Доля в 70%

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

не учитывает потенциальные последствия изменения климата.

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

Эта цифра взята из исследования Даи, опубликованного в 2011 году,

where he took into consideration

где он принял во внимание

all the potential effects of climate change

все потенциальные последствия изменения климата

and expressed them -- amongst other things --

и обозначил их; среди прочих факторов —

increased aridity due to lack of rain or infrequent rain.

возросшая засушливость из-за нехватки дождя или редких осадков.

The areas in red shown here,

Регионы, выделенные красным, —

are areas that until recently

это регионы, до недавнего времени

have been very successfully used for agriculture,

весьма успешно использовавшиеся для сельского хозяйства,

but cannot anymore because of lack of rainfall.

но теперь это уже невозможно из-за недостатка осадков.

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

А это ситуация, которую предсказывают к 2050 году.

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

Большая часть Африки, а по сути, большая часть мира,

is going to be in trouble.

окажется в беде.

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

Мы должны придумать эффективные способы производства продуктов питания.

And preferably among them, some drought-tolerant crops.

И желательно, чтобы среди них были некоторые засухоустойчивые культуры.

The other thing to remember about Africa is

Нам также следует помнить, что Африка —

that most of their agriculture is rainfed.

это регион неорошаемого земледелия.

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

Выращивание засухоустойчивых культур не самая простая в мире вещь.

And the reason for this is water.

И причиной этому является вода.

Water is essential to life on this planet.

Вода необходима для жизни на этой планете.

All living, actively metabolizing organisms,

Все живые организмы с активным обменом веществ —

from microbes to you and I,

от микробов до нас с вами —

are comprised predominately of water.

состоят преимущественно из воды.

All life reactions happen in water.

Все необходимые для жизни реакции происходят в воде.

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

И потеря небольшого количества воды приводит к смерти.

You and I are 65 percent water --

Вы и я состоим на 65% из воды,

we lose one percent of that, we die.

теряя 1%, мы умираем.

But we can make behavioral changes to avoid that.

Но мы можем изменить своё поведение, чтобы избежать этого,

Plants can't.

а растения — нет.

They're stuck in the ground.

Они привязаны к земле.

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

Прежде всего, в них содержится немного больше воды, чем в нас, —

about 95 percent water,

около 95%.

and they can lose a little bit more than us,

И они способны терять немного больше, чем мы, —

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

от 10 до 70% в зависимости от вида,

но только на короткий период.

but for short periods only.

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

Большинство из них сделают попытку сопротивляться или избежать потери воды.

So extreme examples of resistors can be found in succulents.

Яркие примеры сопротивления можно найти среди суккулентов.

They tend to be small, very attractive,

Они, как правило, небольшие и очень привлекательные,

but they hold onto their water at such great cost

но они удерживают свою воду дорогой ценой —

that they grow extremely slowly.

они крайне медленно растут.

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

Примеры предотвращения потери воды можно найти среди деревьев и кустарников.

They send down very deep roots,

Они пускают очень глубокие корни,

mine subterranean water supplies

достигая подземных запасов воды,

and just keep flushing it through them at all times,

и продолжают забирать её через корни постоянно,

keeping themselves hydrated.

избегая обезвоживания.

The one on the right is called a baobab.

Дерево справа называется баобаб.

It's also called the upside-down tree,

Его также зовут «перевёрнутым» деревом,

simply because the proportion of roots to shoots is so great

поскольку размер корней по отношению к надземной части столь велик,

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

что это выглядит, как будто дерево посажено вверх ногами.

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

И, конечно, эти корни необходимы для снабжения этого растения водой.

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

Пожалуй, самая распространённая стратегия предотвращения встречается у однолетников.

Annuals make up the bulk of our plant food supplies.

Однолетники составляют основу нашего растительного продовольствия.

Up the west coast of my country,

На западном побережье моей страны

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

большую часть года почти не видно роста растений.

But come the spring rains, you get this:

Но с приходом весенних дождей вы увидите это:

flowering of the desert.

цветение пустыни.

The strategy in annuals,

Стратегия однолетних растений —

is to grow only in the rainy season.

это рост только в сезон дождей.

At the end of that season they produce a seed,

В конце сезона они производят семена,

which is dry, eight to 10 percent water,

в которых лишь от 8 до 10% воды,

but very much alive.

и они вполне жизнеспособны.

And anything that is that dry and still alive,

И всё, что продолжает жить при таком содержании влаги,

we call desiccation-tolerant.

мы называем засухоустойчивым.

In the desiccated state,

В высушенном состоянии

what seeds can do is lie in extremes of environment

семена могут находиться в экстремальных условиях среды

for prolonged periods of time.

в течение длительного времени.

The next time the rainy season comes,

С наступлением нового сезона дождей

they germinate and grow,

они всходят и растут,

and the whole cycle just starts again.

и весь цикл начинается снова.

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

Широко распространено мнение, что эволюция засухоустойчивых семян

allowed the colonization and the radiation

обеспечила колонизацию и распространение

of flowering plants, or angiosperms, onto land.

на земле цветковых растений или покрытосеменных.

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

Но вернёмся к однолетникам, как к основной форме продовольствия.

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

Пшеница, рис и кукуруза обеспечивают 95% нашего растительного продовольствия.

And it's been a great strategy

И это великолепная стратегия,

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

поскольку за короткое время вы можете произвести много зерна.

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

Зерно богато энергией, а это много пищевых калорий,

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

которые можно отложить во времена изобилия до времён голода.

but there's a downside.

Но есть и обратная сторона.

The vegetative tissues,

Вегетативные ткани,

the roots and leaves of annuals,

корни и листья однолетников

do not have much

не обладают многими характеристиками

by way of inherent resistance, avoidance or tolerance characteristics.

в том, что касается сопротивляемости, предотвращения или устойчивости.

They just don't need them.

Они им просто не нужны.

They grow in the rainy season

Они растут в сезон дождей

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

и у них есть семена, помогающие им выживать в остальное время года.

And so despite concerted efforts in agriculture

И несмотря на согласованные усилия сельского хозяйства

to make crops with improved properties

создать растения с улучшенными свойствами

сопротивляемости, предотвращения и выносливости —

of resistance, avoidance and tolerance --

particularly resistance and avoidance

особенно сопротивляемости и предотвращения,

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

так как у нас есть хорошие модели, объясняющие их работу, —

we still get images like this.

мы до сих пор получаем такие картинки.

Maize crop in Africa,

Урожай кукурузы в Африке,

two weeks without rain

две недели без воды —

and it's dead.

и растения мертвы.

There is a solution:

Но есть решение:

resurrection plants.

воскресающие растения.

These plants can lose 95 percent of their cellular water,

Эти растения могут потерять 95% своей клеточной жидкости,

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

оставаясь в сухом, полумёртвом состоянии месяцы или годы,

and give them water,

но дайте им воды —

they green up and start growing again.

и они зазеленеют и начнут расти снова.

Like seeds, these are desiccation-tolerant.

Как и семена, они засухоустойчивы.

Like seeds, these can withstand extremes of environmental conditions.

Как и семена, они могут выдерживать экстремальные условия окружающей среды.

And this is a really rare phenomenon.

И это действительно редкое явление.

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

Существует лишь 135 видов цветковых растений, которые на это способны.

I'm going to show you a video

Я хочу показать вам видео

of the resurrection process of these three species

о процессе воскрешения этих трёх видов

in that order.

в таком порядке.

And at the bottom,

В нижней части

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

временнáя ось, чтобы вы видели, как быстро всё происходит.

(Applause)

(Аплодисменты)

Pretty amazing, huh?

Впечатляюще, правда?

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

Поэтому я провела 21 год, пытаясь понять, как они это делают.

How do these plants dry without dying?

Как эти растения засыхают, не умирая?

And I work on a variety of different resurrection plants,

И я работала с множеством различных воскресающих растений,

shown here in the hydrated and dry states,

показанных здесь полными влаги и высохшими,

for a number of reasons.

по ряду причин.

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

Одна из них в том, что каждое из этих растений —

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

модель для культур, которые я хочу сделать засухоустойчивыми.

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

Так, например, эта трава в левом верхнем углу.

it's called Eragrostis nindensis,

Её название Eragrostis nindensis,

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

и она в близком родстве с Eragrostis tef —

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

многие из вас знают её как «теф» —

it's a staple food in Ethiopia,

основной продукт питания в Эфиопии,

it's gluten-free,

в ней нет глютена,

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

и это растение мы хотим сделать засухоустойчивым.

The other reason for looking at a number of plants,

Другая причина поиска среди ряда растений —

is that, at least initially,

то, что, по крайней мере, изначально

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

я хотела выяснить, делают ли они то же самое?

Do they all use the same mechanisms

Все ли они используют те же механизмы,

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

чтобы иметь возможность потерять всю воду и не умереть?

So I undertook what we call a systems biology approach

И я применила так называемый системный биологический подход,

in order to get a comprehensive understanding

чтобы получить полное представление

of desiccation tolerance,

об устойчивости к высыханию,

in which we look at everything

которую мы ищем во всём,

from the molecular to the whole plant, ecophysiological level.

от уровня молекул до уровня экофизиологии растения в целом.

For example we look at things like

Например, мы смотрим,

как меняется строение растений при их высыхании

changes in the plant anatomy as they dried out

and their ultrastructure.

и их ультраструктура.

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

Мы изучаем транскрипто́м — это такая технология

in which we look at the genes

исследования генов,

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

которые включаются или выключаются в ответ на высыхание.

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

Многие гены несут информацию о белках, поэтому мы изучаем протеом:

What are the proteins made in response to drying?

какие белки синтезируются в случае высыхания?

Some proteins would code for enzymes which make metabolites,

Некоторые белки — ферменты, создающие метаболиты,

so we look at the metabolome.

поэтому мы изучаем метаболомику.

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

Это важно, поскольку растения привязаны к земле.

They use what I call a highly tuned chemical arsenal

Они используют то, что я называю высокоточным химическим арсеналом,

to protect themselves from all the stresses of their environment.

для защиты себя от всех стрессов окружающей среды.

So it's important that we look

Поэтому важно увидеть

at the chemical changes involved in drying.

химические изменения в процессе высыхания.

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

А в исследовании на молекулярном уровне

we look at the lipidome --

мы изучаем липидо́м —

the lipid changes in response to drying.

изменение липидов в ответ на высыхание.

And that's also important

И это тоже важно,

because all biological membranes are made of lipids.

потому что биологические мембраны состоят из липидов.

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

Они остаются мембранами, поскольку находятся в воде.

Take away the water, those membranes fall apart.

Заберите воду — и эти мембраны разрушатся.

Lipids also act as signals to turn on genes.

Липиды также действуют как сигналы для активации генов.

Then we use physiological and biochemical studies

И мы ведём физиологические и биохимические исследования,

to try and understand the function of the putative protectants

пытаясь понять функции предполагаемых защитных средств,

that we've actually discovered in our other studies.

которые мы фактически обнаружили в ходе изучения.

And then use all of that to try and understand

А затем используем всё это, чтобы понять,

how the plant copes with its natural environment.

как растения справляются с их естественной средой.

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

Я всегда считала, что мне необходимо исчерпывающее понимание

of the mechanisms of desiccation tolerance

механизмов засухоустойчивости,

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

чтобы создать практические рекомендации для биотического применения.

I'm sure some of you are thinking,

Я уверена, многие из вас думают:

"By biotic application,

«Под биотическим применением

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

она имеет ввиду создание генномодифицированных растений?»

And the answer to that question is:

И ответ на этот вопрос такой:

depends on your definition of genetic modification.

это зависит от вашего определения генной модификации.

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

Всё, что мы едим сегодня, — пшеница, рис и кукуруза —

are highly genetically modified from their ancestors,

генетически сильно модифицированы по сравнению с их предками,

but we don't consider them GM

но мы не считаем их ГМО,

because they're being produced by conventional breeding.

потому что они производятся методами обычной селекции.

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

Если имеется в виду, что я хочу внедрить в культуры гены воскресающих растений,

your answer is yes.

то ответ — «да».

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

По сути, мы опробовали этот подход.

More appropriately, some of my collaborators at UCT,

Точнее говоря, мои коллеги из Кейптаунского университета —

Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen,

Дженифер Томпсон и Сухель Рафудин —

have spearheaded that approach

стали инициаторами такого подхода,

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

и вскоре я покажу вам некоторые данные.

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

Но мы на пороге создания весьма амбициозного метода,

in which we aim to turn on whole suites of genes

в котором мы стремимся активировать целые наборы генов,

that are already present in every crop.

уже существующих в каждом растении.

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

Они просто не включались в экстремальных условиях засухи.

I leave it up to you to decide

Я оставлю на ваше усмотрение решать,

whether those should be called GM or not.

должно ли это называться ГМО или нет.

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

Я просто хочу поделиться с вами некоторыми данными первого подхода.

And in order to do that

И чтобы сделать это,

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

я должна немного объяснить, как работают гены.

So you probably all know

Вы все, вероятно, знаете,

that genes are made of double-stranded DNA.

что гены состоят из двойной цепочки ДНК.

It's wound very tightly into chromosomes

Она плотно скручена в хромосомы,

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

имеющиеся в каждой клетке вашего тела или в организме растения.

If you unwind that DNA, you get genes.

Если вы развернёте ДНК, вы получите гены.

And each gene has a promoter,

И каждый ген имеет промотор,

which is just an on-off switch,

это такой переключатель «включено-выключено»,

the gene coding region,

кодирующую последовательность

and then a terminator,

и терминатор,

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

который показывает, что этот ген заканчивается и начинается новый.

Now, promoters are not simple on-off switches.

Но промоторы — это не просто переключатели.

They normally require a lot of fine-tuning,

Как правило, они требуют тонкой настройки

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

и наличия подходящих условий, прежде чем ген активируется.

So what's typically done in biotech studies

Вот что обычно делается в биотехнологических исследованиях:

is that we use an inducible promoter,

мы берём индуцируемый промотор,

we know how to switch it on.

который знаем, как включить.

We couple that to genes of interest

Мы соединяем его с интересующими нас генами,

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

помещаем их в растение и смотрим, как оно отреагирует.

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

В исследовании, о котором я хочу вам рассказать,

my collaborators used a drought-induced promoter,

мои коллеги применили индуцируемый засухой промотор,

which we discovered in a resurrection plant.

который мы обнаружили в воскресающих растениях.

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

Самое замечательное в этом промоторе то, что мы ничего не делаем.

The plant itself senses drought.

Растение само определяет появление засухи.

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

Так мы управляем генами-антиоксидантами воскресающих растений.

Why antioxidant genes?

Почему гены-антиоксиданты?

Well, all stresses, particularly drought stress,

Дело в том, что любой стресс, а в особенности воздействие засухи,

results in the formation of free radicals,

приводит к образованию свободных радикалов,

or reactive oxygen species,

или активных форм кислорода,

которые очень разрушительны и могут привести к смерти растения.

which are highly damaging and can cause crop death.

What antioxidants do is stop that damage.

Антиоксиданты способны предотвратить этот ущерб.

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

Вот ряд данных по сорту кукурузы, который широко используется в Африке.

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

Слева от стрелки находятся растения без генов,

to the right --

а справа —

plants with the antioxidant genes.

растения с генами-антиоксидантами.

After three weeks without watering,

Через три недели без полива

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

у растений с генами дела идут намного лучше.

Now to the final approach.

Теперь о финальном подходе.

My research has shown that there's considerable similarity

Мои исследования показали значительное сходство

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

механизмов засухоустойчивости семян и воскресающих растений.

So I ask the question,

И я задаюсь вопросом:

are they using the same genes?

используют ли они одни и те же гены?

Or slightly differently phrased,

Или, слегка перефразируя,

are resurrection plants using genes evolved in seed desiccation tolerance

используют ли воскресающие растения гены, развитые у засухоустойчивых семян,

in their roots and leaves?

в своих корнях и листьях?

Have they retasked these seed genes

Изменились ли задачи этих генов

in roots and leaves of resurrection plants?

в корнях и листьях воскресающих растений?

And I answer that question,

И я ответила на этот вопрос

as a consequence of a lot of research from my group

в результате множества исследований моей группы

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

и недавнего сотрудничества с группой Хэнка Хилорста из Нидерландов,

Mel Oliver in the United States

Мэла Оливера из Соединённых Штатов

and Julia Buitink in France.

и Джулии Байтинк из Франции.

The answer is yes,

Этот ответ — «да».

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

Есть ключевой набор генов, присутствующих в обоих случаях.

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

Я хочу дать грубую иллюстрацию этого на примере кукурузы,

where the chromosomes below the off switch

где хромосомы в неактивном состоянии

represent all the genes that are required for desiccation tolerance.

располагают всеми генами, необходимыми для засухоустойчивости.

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

Поэтому когда зёрна кукурузы высыхают по завершении периода развития,

they switch these genes on.

они включают эти гены.

Resurrection plants switch on the same genes

Воскресающие растения активируют эти гены

when they dry out.

при наступлении засухи.

All modern crops, therefore,

То есть все современные культуры

have these genes in their roots and leaves,

содержат эти гены в корнях и листьях,

they just never switch them on.

просто они никогда их не включают.

They only switch them on in seed tissues.

Они активны только в тканях семян.

So what we're trying to do right now

Сейчас мы пытаемся понять

is to understand the environmental and cellular signals

сигналы среды и клеточные сигналы,

that switch on these genes in resurrection plants,

активирующие эти гены в воскресающих растениях

для имитации этого процесса у культурных растений.

to mimic the process in crops.

And just a final thought.

И последняя мысль.

What we're trying to do very rapidly

Мы пытаемся очень быстро повторить то,

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

что природа совершила в ходе эволюции воскресающих растений

some 10 to 40 million years ago.

около 10–40 миллионов лет назад.

My plants and I thank you for your attention.

Мои растения и я благодарим вас за внимание.

(Applause)

(Аплодисменты)