How we can make crops survive without water | Jill Farrant

Перекладач: Kseniya Krochuk Утверджено: Hanna Leliv

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

Вірю, що секрет вирощування посухостійких врожаїв,

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

які гарантують світову харчову безпеку,

lies in resurrection plants,

полягає у рослинах-ефемерах,

pictured here, in an extremely droughted state.

зображених тут, у дуже висохлому стані.

You might think that these plants look dead,

Можна припустити, що ці рослини мертві,

but they're not.

але це не так.

Give them water,

Дайте їм води,

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

й вони оживуть і виростуть за 12-48 годин.

Now, why would I suggest

Отже, чому я припускаю,

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

що посухостійкі культури гарантують харчову безпеку?

Well, the current world population is around 7 billion.

Населення планети сягає нині 7 мільярдів.

And it's estimated that by 2050,

І вважається, що до 2050 року

we'll be between 9 and 10 billion people,

населення досягне 9 - 10 мільярдів,

with the bulk of this growth happening in Africa.

причому зростатиме воно здебільшого в Африці.

The food and agricultural organizations of the world

Продовольчі й сільськогосподарські організації

have suggested that we need a 70 percent increase

пропонують на 70 відсотків збільшити

обсяг поточного сільського господарства,

in current agricultural practice

to meet that demand.

щоб задовольнити цей попит.

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

Позаяк рослини є основою харчового ланцюга,

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

ця цифра стосується, здебільшого, їх.

That percentage of 70 percent

Ці 70 відсотків

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

не беруть до уваги впливу змін у кліматі.

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

Це взято з дослідження Дай 2011 року,

where he took into consideration

де проаналізовано

всі можливі наслідки кліматичних змін

all the potential effects of climate change

and expressed them -- amongst other things --

і зазначено - серед інших причин -

increased aridity due to lack of rain or infrequent rain.

підвищену посуха через бездощів'я.

Територія, позначена червоним кольором,

The areas in red shown here,

are areas that until recently

це області, які останнім часом

have been very successfully used for agriculture,

успішно задіювало сільське господарство,

but cannot anymore because of lack of rainfall.

та тепер це неможливо через бездощів'я.

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

Це передбачення на 2050 рік.

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

Більша частина Африки і всієї планети

is going to be in trouble.

опиниться у біді.

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

Нам слід замислитись над новими способами виробництва харчів.

And preferably among them, some drought-tolerant crops.

І, бажано, над посухостійкими культурами.

The other thing to remember about Africa is

Щодо Африки, ми також маємо пам'ятати, що

that most of their agriculture is rainfed.

більшість її агрокультур напоєні дощами.

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

Вирощувати посухостійкі рослини складно.

And the reason for this is water.

І причиною цього є вода.

Water is essential to life on this planet.

Вода необхідна для життя на планеті.

All living, actively metabolizing organisms,

Всі живі метаболічні організми,

from microbes to you and I,

від мікробів до нас із вами,

are comprised predominately of water.

складаються в основному з води.

All life reactions happen in water.

Усі життєві реакції відбуваються у воді.

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

Втрата певної кількості води - смертельна.

You and I are 65 percent water --

Ви і я - це 65 відсотків води -

we lose one percent of that, we die.

втрачаємо 1 процент - і помираємо.

But we can make behavioral changes to avoid that.

Але ми можемо змінити поведінку й цього уникнути.

Рослини цього уникнути не можуть.

Plants can't.

They're stuck in the ground.

Вони ростуть у землі, й таким чином

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

спершу мають трохи більше води, ніж ми,

about 95 percent water,

близько 95 відсотків води,

and they can lose a little bit more than us,

і можуть втрачати дещо більше, ніж ми:

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

від 10 до 70 процентів, залежно від виду,

but for short periods only.

але тільки на короткі періоди.

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

Більшість з них уникають втрати води.

So extreme examples of resistors can be found in succulents.

Найкращим прикладом є сукуленти.

They tend to be small, very attractive,

Вони переважно маленькі й дуже привабливі,

but they hold onto their water at such great cost

але затримують воду великою ціною,

that they grow extremely slowly.

бо ростуть надзвичайно повільно.

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

Прикладами є дерева і чагарники.

Вони вкорінюються дуже глибоко,

They send down very deep roots,

mine subterranean water supplies

забирають підгрунтові запаси води і

and just keep flushing it through them at all times,

наповнюють нею себе у потрібний час,

keeping themselves hydrated.

підтримуючи гідробаланс.

The one on the right is called a baobab.

Рослина праворуч називається баобаб.

It's also called the upside-down tree,

Її також називають рослиною догори-дригом,

simply because the proportion of roots to shoots is so great

бо непропорційність коренів і паростків

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

справляє враження перевернутого дерева.

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

Звісно, для того, щоб рослина добувала воду, потрібні корені.

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

Найпоширеніша стратегія - в однорічних рослин.

Annuals make up the bulk of our plant food supplies.

Однорічні є основою нашого харчування.

Up the west coast of my country,

Від західного кордону моєї країни

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

упродовж року вегетація є незначною.

But come the spring rains, you get this:

Але приходять весняні дощі, і маємо:

квітучу пустелю.

flowering of the desert.

The strategy in annuals,

Стратегія однорічних полягає у тому,

is to grow only in the rainy season.

щоб рости лише у дощову пору року.

At the end of that season they produce a seed,

У кінці цієї пори року утворюється насіння

which is dry, eight to 10 percent water,

з вмістом від 8 до 10 відсотків води,

but very much alive.

сухе, але дуже живе.

And anything that is that dry and still alive,

А все, що cухе й живе,

we call desiccation-tolerant.

є терпимим до висихання.

In the desiccated state,

У висушеному стані насіння

what seeds can do is lie in extremes of environment

може зберігатися в екстремальних умовах

for prolonged periods of time.

протягом тривалих проміжків часу.

The next time the rainy season comes,

Коли настає наступна дощова пора,

they germinate and grow,

воно проростає і росте,

and the whole cycle just starts again.

і весь цикл розпочинається знову.

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

Вважають, що еволюція насіння, яке стійке

до висихання, призвело до розповсюдження

allowed the colonization and the radiation

of flowering plants, or angiosperms, onto land.

квітучих рослин, або ангіосперм на Землі.

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

Повертаємось до однорічних як нашого основного харчового продукту.

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

Пшениця, рис, кукурудза - це 95% наших харчів.

Їхня стратегія чудова, тому що за

And it's been a great strategy

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

короткий проміжок виростає багато насіння.

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

Насіння - енергетично насичене і калорійне.

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

Велику його кількість можна зберігати для

голодних часів, але у цьому є недолік.

but there's a downside.

Вегетативні тканини,

The vegetative tissues,

the roots and leaves of annuals,

коріння і листя однорічних рослин

do not have much

не характеризуються значною

by way of inherent resistance, avoidance or tolerance characteristics.

резистентністю чи стійкістю.

They just don't need them.

They grow in the rainy season

Вони їх просто не потребують.

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

Вони ростуть у дощову пору і

мають насіння, щоб вижити до кінця року.

And so despite concerted efforts in agriculture

Отже, попри наполегливі спроби,

to make crops with improved properties

виростити врожай з покращеними властивостями -

of resistance, avoidance and tolerance --

резистентністю, уникненням, стійкістю -

particularly resistance and avoidance

надто резистентністю і стійкістю, бо

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

ми мали хороші зразки й добре вивчили ці ознаки -

ми все ще отримуємо такі приклади.

we still get images like this.

Maize crop in Africa,

Кукурудза, яка росте в Африці: якщо протягом

two weeks without rain

and it's dead.

двох тижнів немає дощу,

вона гине.

There is a solution:

Однак існує рішення:

resurrection plants.

це - рослини, які відновлюються, або ж ефемери.

These plants can lose 95 percent of their cellular water,

Вони можуть втрачати 95% клітинної води,

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

залишатись у сухому, мертвоподібному стані

місяцями, але варто дати їм воду - й вони зазеленіють

and give them water,

they green up and start growing again.

і знову почнуть рости.

Like seeds, these are desiccation-tolerant.

Як і насіння, вони терпимі до висихання.

Like seeds, these can withstand extremes of environmental conditions.

Вони протистоять екстремальній погоді.

And this is a really rare phenomenon.

І це насправді - рідкісний феномен.

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

Тільки 135 видів квітучих рослин здатні на таке.

I'm going to show you a video

Я покажу вам відео процесу відтворення

of the resurrection process of these three species

цих трьох видів

in that order.

у такому порядку.

And at the bottom,

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

А внизу є вісь часу, яка

показує швидкість того, що відбувається.

(Applause)

(Оплески)

Pretty amazing, huh?

Неймовірно, чи не так? Отже, я провела

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

21 рік, розмірковуючи, як це відбувається.

How do these plants dry without dying?

Як ці рослини сохнуть, не помираючи?

And I work on a variety of different resurrection plants,

І я працюю над різновидами, що відновлюються -

shown here in the hydrated and dry states,

тут вони показані в зволоженому й сухому станах -

for a number of reasons.

через низку причин. Одна з них - це те, що

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

кожна з цих рослин слугує зразком для

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

врожаю, який я хочу зробити посухостійким.

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

У верхньому лівому куті, наприклад, є трава.

it's called Eragrostis nindensis,

Вона називається Eragrostis nindensis.

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

Її найближчий родич - це Eragrostis tef -

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

або ж знаний декому з вас "теф" -

it's a staple food in Ethiopia,

основний продукт харчування в Ефіопії,

it's gluten-free,

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

він не містить клейковини, і саме таким ми

хочемо зробити посухостійкі рослини.

The other reason for looking at a number of plants,

Ще одна причина розглядати ряд рослин - це

is that, at least initially,

моє бажання принаймні

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

зрозуміти, чи вони поводяться однаково?

Do they all use the same mechanisms

Чи всі вони застосовують однаковий механізм,

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

щоб зберегти життя, втративши воду?

So I undertook what we call a systems biology approach

Я застосувала так званий системний біологічний

in order to get a comprehensive understanding

підхід, щоб зрозуміти, що таке

of desiccation tolerance,

стійкість до висихання - згідно з ним,

in which we look at everything

from the molecular to the whole plant, ecophysiological level.

ми розглядаємо все - від молекули до цілої рослини

на екофізіологічному рівні.

For example we look at things like

Наприклад, ми розглядаємо зміни

changes in the plant anatomy as they dried out

в анатомії рослини, що висохла,

and their ultrastructure.

а також її ультраструктуру.

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

Дивимось на транскриптому - це лише термін, який позначає

технологію, за якою ми аналізуємо, які гени

in which we look at the genes

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

активуються, а які ні у відповідь на посуху.

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

Більшість генів кодують білок, тому ми дивимось на протеом.

Які білки утворюються у відповідь на посуху?

What are the proteins made in response to drying?

Some proteins would code for enzymes which make metabolites,

Деякі утворюють ензими, а вони - метаболіти,

so we look at the metabolome.

отже, ми дивимось на метаболому.

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

Це важливо, бо рослини ростуть у землі.

They use what I call a highly tuned chemical arsenal

Вони використовують досконало підібраний хімічний арсенал,

to protect themselves from all the stresses of their environment.

щоб захиститись від навколишніх стресів.

А отже, важливо розглядати усі

So it's important that we look

at the chemical changes involved in drying.

хімічні зміни, задіяні у засиханні рослин.

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

В останньому дослідженні на молекулярному

we look at the lipidome --

рівні ми розглядаємо ліпідому -

the lipid changes in response to drying.

ліпідні зміни у відповідь на процес засихання.

And that's also important

because all biological membranes are made of lipids.

І це також важливо, бо усі біологічні

мембрани утворюються з ліпідів.

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

Вони утримують форму мембрани, бо перебувають у воді.

Take away the water, those membranes fall apart.

Заберіть воду, і вони розпадуться.

Ліпіди також є сигналами для активації генів.

Lipids also act as signals to turn on genes.

Крім того, ми застосовуємо фізіологію і

Then we use physiological and biochemical studies

біохімію, щоб зрозуміти функцію захисних речовин,

to try and understand the function of the putative protectants

that we've actually discovered in our other studies.

яких ми виявили в інших дослідах.

А далі використовуємо усе це, щоб зрозуміти

And then use all of that to try and understand

how the plant copes with its natural environment.

як рослина існує в довкіллі.

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

Я завжди хотіла повністю зрозуміти

механізми, що протидіють висиханню,

of the mechanisms of desiccation tolerance

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

щоб запропонувати практичне використання біотиків.

I'm sure some of you are thinking,

Я впевнена, дехто думає, чи кажучи

"By biotic application,

"практичне використання біотиків", я маю намір

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

створити генетично модифіковані рослини?

And the answer to that question is:

І відповідь на це запитання така: усе залежить

depends on your definition of genetic modification.

від того, як ви розумієте генетичну модифікацію.

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

Усі культури, що ми їмо - пшениця, рис, маїс -

are highly genetically modified from their ancestors,

віддавна є генетично модифікованими,

but we don't consider them GM

але ми не вважаємо їх ГМ, тому що їх

because they're being produced by conventional breeding.

вирощують традиційним способом.

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

Якщо ви думаєте, що я занесу гени рослини, здатної до відновлення,

у злакові культури, тоді відповідь на ваше запитання - "так".

your answer is yes.

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

Часом ми застосовували цей підхід.

More appropriately, some of my collaborators at UCT,

Деякі мої колеги з Університету Кейптауна -

Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen,

Дженніфер Томсон, Сагейл Рафудін -

have spearheaded that approach

застосовували цей підхід,

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

і невдовзі я покажу вам деякі результати.

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

Ти ми збираємось розпочати амбітний проект,

in which we aim to turn on whole suites of genes

у якому плануємо задіяти всі найкращі гени,

that are already present in every crop.

які вже містяться у кожній культурі.

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

Їх ще ніколи не активовували в екстремальних умовах посухи.

I leave it up to you to decide

Називати їх ГМ чи ні - вирішувати вам.

whether those should be called GM or not.

А зараз я просто покажу вам дані з

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

цієї першої спроби.

And in order to do that

А щоби це зробити, я повинна пояснити

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

дещо про роботу генів.

Напевно усім вам відомо, що гени складаються

So you probably all know

that genes are made of double-stranded DNA.

з двоспіральної ДНК.

It's wound very tightly into chromosomes

Вона дуже щільно переплетена з хромосомами, які

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

знаходяться в кожній клітині тіла людини чи рослини.

Розкрутивши ДНК, отримуємо гени.

If you unwind that DNA, you get genes.

And each gene has a promoter,

А кожний ген має промотор,

двопозиційний перемикач,

which is just an on-off switch,

the gene coding region,

що кодує область гена,

and then a terminator,

а також термінатор, який вказує, що це кінець

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

цього гена і далі починається наступний.

Now, promoters are not simple on-off switches.

Промотори - не звичайні вмикачі-вимикачі.

They normally require a lot of fine-tuning,

Вони вимагають налаштування і наявності багатьох

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

компонентів, перш ніж ген буде активовано.

So what's typically done in biotech studies

У біотехнології зазвичай

is that we use an inducible promoter,

використовують індукований промотор,

we know how to switch it on.

і ми знаємо, як його активувати.

We couple that to genes of interest

Ми поєднуємо гени, які нас цікавлять,

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

поміщаємо їх у рослину і дивимось на реакції.

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

У дослідженні, про яке я хочу розповісти,

my collaborators used a drought-induced promoter,

мої колеги взяли промотор, активований

which we discovered in a resurrection plant.

посухою, що його виявили у відновленій рослині.

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

Хорошою ознакою цього промотера є те, що

The plant itself senses drought.

ми нічого не робимо. Рослина сама відчуває посуху.

А ми вилучаємо антиоксидантні гени

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

з відновлених рослин. Чому антиоксидантні гени?

Why antioxidant genes?

Усі стреси, особливо посуха, призводять до

Well, all stresses, particularly drought stress,

формування вільних радикалів,

results in the formation of free radicals,

or reactive oxygen species,

або ж активних кисневих форм, які дуже шкідливі

which are highly damaging and can cause crop death.

і можуть призвести до загибелі рослини.

What antioxidants do is stop that damage.

А антиоксиданти зупиняють цей процес.

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

Ось деякі дані про кукурудзу, широко

розповсюджену в Африці. Ліворуч від стрілки

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

бачимо рослини без генів, а праворуч -

to the right --

plants with the antioxidant genes.

рослини з антиоксидантними генами.

After three weeks without watering,

Їх не підливали три тижні -

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

і вони прекрасно почуваються.

Now to the final approach.

Тепер про останній підхід. Моє дослідження

My research has shown that there's considerable similarity

показало, що механізми стійкості до висихання

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

в насіння й рослин-ефемерів дуже схожі.

Тож я запитую,

So I ask the question,

чи вони використовують одні й ті самі гени?

are they using the same genes?

Or slightly differently phrased,

Або трохи перефразую:

are resurrection plants using genes evolved in seed desiccation tolerance

чи рослини-ефемери використовують гени, які запобігають

всиханню кореня й листя рослин?

in their roots and leaves?

Have they retasked these seed genes

Чи вони змінили завдання для цих генів у

in roots and leaves of resurrection plants?

коренях і листі рослини, здатної відновитися?

And I answer that question,

І я готова відповісти на це запитання

as a consequence of a lot of research from my group

після багатьох досліджень моєї групи і

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

останніх праць групи Генка Гілгорста з

Mel Oliver in the United States

Нідерландів, Мел Олівер зі США

and Julia Buitink in France.

іДжулії Буйтінк з Франції.

The answer is yes,

Так, існує базовий набір

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

генів, які залучені в обох процесах.

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

Я проілюструю це на прикладі кукурудзи,

where the chromosomes below the off switch

де хромосоми нижче вимикача

представляють усі гени, необхідні для

represent all the genes that are required for desiccation tolerance.

того, щоб пережити посуху. Оскільки насіння маїсу

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

висохло наприінці періоду свого розвитку,

they switch these genes on.

воно вмикає ці гени. Рослини, здатні до відновлення, вмикають

Resurrection plants switch on the same genes

ті самі гени, коли висихають.

when they dry out.

All modern crops, therefore,

Отож, усі сучасні зернові культури мають ці гени у своїх

have these genes in their roots and leaves,

коренях і листі, вони просто ніколи

they just never switch them on.

їх не включають. Вони лише

They only switch them on in seed tissues.

активують їх у тканинах насіння.

So what we're trying to do right now

Тепер ми намагаємося

is to understand the environmental and cellular signals

зрозуміти сигнали довкілля й клітинні сигнали,

that switch on these genes in resurrection plants,

які вмикають ці гени у рослин-ефемерах,

щоби зімітувати ці процеси в зернових культурах.

to mimic the process in crops.

And just a final thought.

І останнє.

What we're trying to do very rapidly

Ми намагаємось дуже швидко

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

повторити те, що природа зробила за час еволюції

рослин-ефемерів 10-40 мільйонів років тому.

some 10 to 40 million years ago.

My plants and I thank you for your attention.

Мої рослини і я дякуємо вам за увагу.

(Applause)

(Оплески)