Ik denk dat het geheim van het kweken van zeer droogte-tolerant gewas
dat wellicht voor voedselzekerheid kan zorgen,
in opstandingsplanten zit.
Die zie je hier in extreem droge toestand.
Je zou kunnen denken dat deze planten dood zijn,
maar dat is niet zo.
Als je ze water geeft,
richten ze zich weer op en gaan groeien binnen 12 tot 48 uur.
Waarom denk ik dat het kweken van droogte-tolerant gewas
voedselzekerheid zou kunnen opleveren?
De wereldbevolking is zo'n 7 miljard.
Men voorspelt dat deze rond 2050
zo'n 9 tot 10 miljard is,
met de sterkste groei in Afrika.
De voedsel- en agrarische organisaties hebben voorspeld
dat er 70 procent groei nodig is
van de huidige agrarische productie
om in die vraag te voorzien.
Planten staan aan de basis van de voedselketen
dus zal het grootste aandeel moeten komen van planten.
In die 70 procent zijn de mogelijke gevolgen
van de klimaatverandering nog niet opgenomen.
Dit komt uit een onderzoek door Dai, gepubliceerd in 2011,
waarin hij alle mogelijke effecten van klimaatverandering meenam,
zoals de toegenomen dorheid door gebrek aan regen.
Deze rode plekken zijn gebieden
waar tot voor kort met succes aan landbouw werd gedaan,
maar nu niet meer vanwege gebrek aan regen.
Dit is de voorspelling voor 2050.
Een groot deel van Afrika,
in feite van de wereld, komt in gevaar.
We moeten slimme manieren bedenken om voedsel te produceren.
Liefst ook met droogte-tolerante gewassen.
Je moet ook onthouden over Afrika,
dat de meeste landbouw er afhankelijk is van regen.
Droogte-tolerant gewas kweken is niet zo makkelijk.
Dat komt door het water.
Water is van levensbelang op deze planeet.
Alle levende organismen met stofwisseling,
van microben tot jij en ik,
zijn voornamelijk samengesteld uit water.
Bij alle biologische processen is water nodig.
Verlies van de minste hoeveelheid water veroorzaakt de dood.
Jij en ik zijn voor 65 procent water --
een procent minder en we gaan dood.
We kunnen ons wel aanpassen om dat te voorkomen.
Planten kunnen dat niet.
Ze zitten vast in de grond.
In eerste instantie hebben ze iets meer water dan wij,
ongeveer 95 procent,
en ze kunnen iets meer verliezen dan wij,
zo'n 10 tot 70 procent, afhankelijk van welke soort,
maar slechts korte tijd.
De meeste zullen proberen de droogte te weerstaan of verlies te vermijden.
Extreme voorbeelden van zulke bikkels vind je onder de vetplanten.
Ze zijn vaak klein en aantrekkelijk,
maar ze houden water zó goed vast
dat ze extreem langzaam groeien.
Het beperken van waterverlies zie je bij sommige bomen en struiken.
Hun wortels groeien erg diep,
waar ze onderaards water vinden
en zich daarmee steeds blijven spoelen,
om zo vochtig te blijven.
Aan de rechterkant zie je de baobab.
Ook wel de onderstebovenboom genoemd,
omdat ze zoveel meer wortels dan takken hebben,
dat het lijkt of de boom omgekeerd is geplant.
De wortels zijn natuurlijk nodig voor de watervoorziening.
De meestgebruikte strategie tegen waterverlies vind je bij eenjarigen.
Eenjarigen maken het grootste deel uit van ons plantaardige voedsel.
Aan de westkust van mijn land
zie je het grootste deel van het jaar niet veel vegetatie.
Maar als de voorjaarsregen komt, krijg je dit:
een bloeiende woestijn.
De strategie van eenjarigen
is dat ze alleen in het regenseizoen groeien.
Aan het eind van dat seizoen produceren ze zaad
dat droog is, acht tot tien procent water,
maar het leeft wel.
En alles wat zo droog is, maar wel leeft,
noemen we verdrogingstolerant.
In verdroogde toestand,
kunnen de zaden in extreme omgevingen liggen
gedurende langere tijd.
Als het regenseizoen dan komt,
ontkiemen ze en groeien,
en start de hele kringloop opnieuw.
Het wordt algemeen verondersteld dat de evolutie van verdrogingstolerante zaden
kolonisatie en verspreiding mogelijk maakten
van bloeiende planten of bedektzadigen op land.
Terug naar de eenjarigen, als belangrijkste voedselleverancier.
Graan, rijst en mais vormen 95 procent van ons plantaardige voedsel.
Het is een goede strategie
want in korte tijd kan je veel zaad produceren.
Rijk aan energie, dus met veel calorieën erin.
Je kan het opslaan bij overvloed voor tijden met hongersnood,
maar er is een schaduwzijde.
De plantaardige weefsels,
wortels en bladeren van eenjarigen,
hebben maar weinig aangeboren weerstand-, vermijdings- of tolerantie-eigenschappen.
Die hebben ze niet nodig.
Ze groeien in het regenseizoen
en ze hebben zaad om de rest van het jaar te overleven.
Ondanks gezamenlijke pogingen in de landbouw
om gewassen te kweken met verbeterde eigenschappen
qua weerstand, vermijding en tolerantie,
vooral weerstand en vermijding
omdat we goede modellen hebben van de werking --
krijgen we nog steeds plaatjes als deze.
Mais in Afrika,
twee weken geen regen
en het is dood.
Er is een oplossing:
opstandingsplanten.
Deze planten kunnen 95 procent water uit hun cellen verliezen,
maanden tot jaren in droge, bijna-dode toestand leven.
Zodra ze water krijgen,
worden ze groen en gaan weer groeien.
Net als zaden zijn ze verdrogingstolerant.
Ze kunnen net als zaden tegen extreme omstandigheden.
Dat is een erg zeldzaam fenomeen.
Er zijn maar 135 soorten bloeiende planten die dat kunnen.
Ik laat je een filmpje zien
van het opstandingsproces van deze drie soorten
in die volgorde.
Beneden staat een tijdas
zodat je kunt zien hoe snel het gebeurt.
(Applaus)
Wat bijzonder, hè?
In de afgelopen 21 jaar heb ik geprobeerd dat te begrijpen.
Hoe drogen die planten uit zonder dood te gaan?
Ik werk met allerlei soorten opstandingsplanten,
hier in volgezogen en in droge toestand,
vanwege een aantal redenen.
Een ervan is dat elke plant als model fungeert
voor een gewas dat ik droogte-tolerant wil maken.
Linksboven zie je bijvoorbeeld de grassoort Eragrostis nindensis.
Een verwante soort, Eragrostis tef,
kennen jullie misschien als 'teff'.
Het is een basisvoedsel in Ethiopië.
Het is glutenvrij,
en we willen het droogte-tolerant maken.
Een andere reden om naar diverse planten te kijken
is dat ik, vooral aanvankelijk, wilde uitzoeken of ze hetzelfde doen.
Gebruiken ze hetzelfde mechanisme
om bij dergelijk waterverlies niet dood te gaan?
Ik gebruikte de systeembiologiebenadering
voor een goed begrip van verdrogingstolerantie.
We bekeken alles van moleculen
tot de hele plant op ecofysiologisch niveau.
We kijken naar veranderingen in de anatomie
als hij verdroogt, en zijn ultrastructuur.
We kijken naar het transcriptoom, een term voor een techniek
van genen bekijken die aan- en uitgaan
als reactie op droogte.
De meeste genen coderen voor eiwitten.
Dus bekijken we het proteoom.
Welke eiwitten worden gemaakt vanwege droogte?
Sommige eiwitten coderen voor enzymen die metabolieten maken,
dus bekijken we het metaboloom.
Dat is belangrijk want planten zitten vast in de grond.
Ze gebruiken een goed afgestemd 'scheikundig arsenaal'
om zichzelf te beschermen tegen alle stress uit hun omgeving.
Het is belangrijk dat we kijken naar de chemische veranderingen door droogte.
In het laatste onderzoek op moleculair niveau,
bekijken we het lipidoom,
de lipide veranderingen door droogte.
Dat is ook belangrijk
want alle biologische membranen zijn gemaakt van lipide.
Ze vormen membranen omdat ze in water zitten.
Zonder water vallen de membranen uit elkaar.
Lipiden fungeren ook als signalen om genen aan te zetten.
We gebruiken ook fysiologie- en biochemiestudies
om de functie van mogelijke beschermers te begrijpen
die we hebben ontdekt in eerder onderzoek.
Hiermee proberen we te begrijpen
hoe planten omgaan met hun natuurlijke omgeving.
Ik ben altijd van mening geweest dat ik flink wat kennis nodig had
van de werking van verdrogingstolerantie
om daarmee een zinvol voorstel te doen voor een bioptische toepassing.
Ik denk dat sommigen nu denken:
"Bedoelt ze daarmee dat ze genetisch gemodificeerde gewassen wil?"
Het antwoord daarop is:
het hangt af van jouw definitie van genetische modificatie.
Alle gewassen die we eten, tarwe, grassen en mais,
zijn genetisch erg gemodificeerd door hun voorouders,
maar dat vinden we geen ggo,
omdat ze traditioneel gekweekt zijn.
Als je bedoelt of ik oprichtingsplantgenen in gewas stop,
dan is het antwoord ja.
In wezen hebben we dat gedaan.
Preciezer: sommige van mijn collega's op de UCT
Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen,
leidden die aanpak
en ik zal zo wat gegevens laten zien.
Maar we staan op het punt om een ambitieuze aanpak te beginnen,
waarin we hele rijen genen willen aanzetten
die al in elk gewas zitten.
Ze zijn alleen nog nooit aangezet in extreem droge omstandigheden.
Ik laat je zelf beslissen
of dat ggo moet heten of niet.
Ik geef je nu wat gegevens van die eerste benadering.
Om dat te doen moet ik wat uitleggen
over de werking van genen.
Je weet waarschijnlijk
dat genen zijn gemaakt van gedraaid DNA.
Het is strak opgewonden als chromosomen
die in elke cel zitten van mensen en planten.
Als je DNA ontrafelt, krijg je genen.
En elk gen heeft een promotor,
wat eigenlijk een aan/uitknop is,
het genencodeergebied
en een afsluiter die aangeeft
waar het einde van het gen is en waar een nieuw gen begint.
Die promotors zijn niet gewoon aan-uitknoppen.
Ze moeten meestal goed afgesteld worden.
Veel moet aanwezig en in orde zijn voordat het gen aangaat.
In biotechnologie-onderzoek
gebruikt men doorgaans een induceerbare promotor,
waarvan we weten hoe hij aan moet.
We koppelen dat aan belangrijke genen
en stoppen die in een plant en kijken hoe die reageert.
Bij het onderzoek waarover ik ga vertellen,
gebruikten mijn medewerkers een door droogte ontstane promotor,
die we ontdekten in oprichtingsplanten.
Het mooie van die promotor is dat we niets doen.
De plant voelt zelf de droogte.
Dat gebruikten we om antioxidant-genen uit oprichtingsplanten te halen.
Waarom antioxidant-genen?
Alle soorten stress, vooral door droogte,
zorgen voor de aanmaak van vrije radicalen,
of reactieve zuurstofverbindingen,
die veel kapot maken en zelfs gewas kunnen doen afsterven.
Antioxidanten stoppen die beschadiging.
Hier zijn gegevens van een maisras dat in Afrika populair is.
Links staan planten zonder de genen,
rechts planten mét de antioxidant-genen.
Na drie weken zonder watergeven,
doen die met de genen het een stuk beter.
Nu de laatste benadering.
Mijn onderzoek laat zien dat er grote overeenkomst is
tussen verdrogingstolerantie-mechanismen in zaden en in oprichtingsplanten.
Ik vroeg me dus af of ze dezelfde genen gebruiken.
Of iets anders gezegd:
gebruiken oprichtingsplanten genen voor zaadverdrogingstolerantie
in wortels en bladeren?
Passen zij deze zaadgenen toe
in wortels en bladeren van oprichtingsplanten?
Ik beantwoordde die vraag
na veel onderzoek door mijn groep
en recente samenwerking met een club van Henk Hilhorst in Nederland,
Mel Oliver in de VS
en Julia Buitink in Frankrijk.
Het antwoord is ja,
er is een aantal groepen genen die bij beide betrokken zijn.
Ik zal dit schetsen aan de hand van mais,
waarbij de chromosomen onder de uit-knop
alle genen vertegenwoordigen die nodig zijn voor verdrogingstolerantie.
Dus als maiskorrels verdrogen aan het eind van hun ontwikkeling,
zetten ze die genen aan.
Oprichtingsplanten zetten dezelfde genen aan
als ze verdrogen.
Alle moderne gewassen
hebben die genen in hun wortels en bladeren
maar ze zetten ze gewoon niet aan.
Ze zetten ze alleen aan in zaadweefsel.
Nu proberen we de omgevings- en cel-signalen te begrijpen
die deze genen aanzetten in oprichtingsplanten,
om dat proces na te bootsen in gewas.
Nog een gedachte tot besluit.
Wij proberen op korte termijn te herhalen
wat de natuur heeft gedaan in de evolutie van oprichtingsplanten,
zo'n 10 tot 40 miljoen jaar geleden.
Mijn planten en ik danken je voor je aandacht.
(Applaus)