Uważam, że sekret upraw, mogących przetrwać skrajną suszę
i zwiększyć bezpieczeństwo żywnościowe na świecie,
tkwi w roślinach rezurekcyjnych,
pokazanych tutaj w bardzo wysuszonym stanie.
Na pierwszy rzut oka wyglądają na martwe,
lecz tak nie jest.
Podlejcie je, a odżyją i zaczną rosnąć w ciągu 12-48 godzin.
Dlaczego uważam, że uprawa roślin odpornych na suszę
zwiększy bezpieczeństwo żywnościowe?
Obecnie na Ziemi żyje około 7 miliardów ludzi.
Szacuje się, że do 2050 roku
będzie nas 9-10 miliardów,
z czego największy wzrost nastąpi w Afryce.
Światowe organizacje do spraw rolnictwa i żywności
sugerują, że potrzebny jest 70-procentowy wzrost
obecnych upraw,
by zaspokoić to zapotrzebowanie.
Ponieważ rośliny są podstawą łańcucha pokarmowego,
większość tego wzrostu musi pochodzić z roślin.
Ten model nie brał jednak pod uwagę
potencjalnych efektów zmian klimatycznych.
To mapa z badań Dai przeprowadzonych 2011 roku.
Uwzględniono w nich wszystkie potencjalne efekty zmian klimatu,
w tym między innymi zwiększoną suchość
spowodowaną brakiem lub rzadkim występowaniem deszczu.
Czerwone obszary
to obszary rolne,
dotychczas bardzo wydajne,
które nie nadają się już pod uprawę ze względu na brak opadów.
Takie są przewidywania na rok 2050.
Większość Afryki, właściwie większość świata,
będzie mieć kłopot.
Trzeba będzie wymyślić sprytne sposoby produkcji żywności.
Między innymi zboża mogące przetrwać susze.
Należy też pamiętać, że większość rolnictwa w Afryce
uzależniona jest od opadów.
Produkcja zbóż mogących przetrwać suszę nie jest najprostsza.
Powodem jest woda.
Woda jest niezbędna do życia na tej planecie.
Wszystkie żyjące, metabolizujące organizmy,
od mikrobów po nas samych,
składają się głównie z wody.
Wszystkie reakcje życiowe zachodzą w wodzie.
Utrata nawet niewielkiej ilości wody kończy się śmiercią.
Ludzie składają się w 65% z wody.
Utrata jednego procenta oznacza śmierć.
By temu zapobiec, możemy zmienić zachowanie.
Rośliny nie mogą.
Tkwią w ziemi.
Mają trochę więcej wody niż my,
około 95 procent,
i mogą jej trochę więcej stracić,
w zależności od gatunku od 10 do 70 procent,
ale tylko na krótko.
Większość będzie się opierać lub unikać strat wody.
Ekstremalny przykład to sukulenty.
Są zazwyczaj małe, bardzo atrakcyjne.
Zatrzymują wodę za wszelką cenę, przez co wolno rosną.
Podobne przykłady obserwujemy u drzew i krzewów.
Zapuszczają korzenie bardzo głęboko,
aby korzystać z podziemnych zapasów wody
i "opłukują się" nią cały czas,
by się dobrze nawodnić.
Drzewo po prawej to baobab.
Nazywane drzewem rosnącym do góry nogami,
bo dysproporcja rozmiaru korzeni i pędów jest tak duża,
że wygląda, jakby drzewo zasadzono odwrotnie.
Oczywiście korzenie są niezbędne do nawodnienia rośliny.
Najbardziej powszechną strategię mają roślin jednoroczne.
Jednoroczne stanowią większość naszego pożywienia roślinnego.
Na zachodnim wybrzeżu mojego kraju
przez większą część roku nie widać roślinności.
Ale gdy nadchodzą wiosenne deszcze,
pustynia rozkwita.
Strategią roślin jednorocznych
jest wzrost tylko w porze deszczowej.
Pod jej koniec produkują nasiona,
suche, tylko 8 -10% zawartości wody,
ale bardzo żywe.
Wszystko, co jest tak suche i nadal żywe,
nazywamy suszoodpornym.
W stanie wysuszenia
nasiona mogą leżeć w skrajnych warunkach
przez dłuższy czas.
Z nastaniem kolejnej pory deszczowej
kiełkują i rosną
i cały cykl zaczyna się od nowa.
Uważa się, że ewolucja nasion suszoodpornych
pozwoliła na kolonizację i rozprzestrzenienie się
roślin kwitnących czy okrytozalążkowych.
Wróćmy do jednorocznych, głównego składnika naszej diety.
Pszenica, ryż i kukurydza to 95% naszego pożywienia roślinnego.
Do niedawna była to świetna strategia,
bo w krótkim czasie można wyprodukować dużo nasion.
Nasiona są bogate w energię, więc pożywienie jest kaloryczne,
świetne do magazynowania na czas głodu.
Ale ma to też wady.
Tkanki roślinne, korzenie i liście roślin jednorocznych
nie mają za wiele wrodzonej wytrzymałości i odporności.
Po prostu tego nie potrzebują.
Rosną w porze deszczowej,
a ich nasiona umieją przetrwać resztę roku.
Pomimo wspólnych wysiłków rolników,
by stworzyć rośliny
o większej wytrwałości i odporności,
zwłaszcza takich,
bo mamy wiele przykładów ich działania,
nadal dostajemy fotografie jak ta.
Uprawa kukurydzy w Afryce,
dwa tygodnie bez deszczu
i jest martwa.
Jest na to rada.
Rośliny rezurekcyjne.
Rośliny te mogą stracić 95% wody wewnątrzkomórkowej,
pozostawać w suchym, obumarłym stanie przez miesiące a nawet lata,
a gdy dostaną wodę,
zaczynają rosnąć na nowo.
Podobnie jak nasiona, są odporne na wysuszenie.
Jak nasiona, mogą wytrzymać ekstremalne warunki.
To bardzo rzadki fenomen.
Tylko 135 kwitnących gatunków roślin może to zrobić.
Pokażę wam wideo o procesie rezurekcji tych trzech gatunków,
kolejno.
Na dole jest oś czasu, więc widać szybkość wydarzeń.
(Brawa)
Niezwykłe, prawda?
Od 21 lat próbuję zrozumieć, jak one to robią.
Jak wysychają, ale nie umierają?
Pracowałam z różnymi odmianami roślin rezurekcyjnych,
pokazanych tu w nawodnionym i wyschniętym stanie,
z wielu powodów.
Każda z tych roślin służy jako model dla rośliny,
której chciałabym dać suszoodporność.
W górnym lewym rogu mamy na przykład trawę,
nazywa się eragrostis nindensis,
blisko spokrewniona z miłką abisyńską,
może znacie ją jako "tef".
Jest podstawą wyżywienia w Etiopii.
Nie zawiera glutenu.
Chcielibyśmy, żeby była suszoodporna.
Kolejnym powodem do badania większej liczby roślin
jest chęć sprawdzenia, czy wszystkie zachowują się tak samo.
Czy wszystkie używają tych samych mechanizmów,
które pozwalają tracić wodę i żyć.
Przyjęłam podejście systemowe,
aby całościowo zrozumieć
fenomen odporności na suszę.
Obserwujemy wszystko, od cząsteczek po poziom ekofizjologiczny całej rośliny.
Patrzymy na zmiany zachodzące w anatomii roślin podczas wysychania,
na ich ultrastruktrę.
Patrzymy na transkryptom.
To technika obserwacji genów,
które włączają się i wyłączają w odpowiedzi na suszę.
Większość genów koduje białka, więc protenom pokazuje,
które białka powstały w procesie wysuszania.
Niektóre białka stworzą enzymy metaboliczne,
patrzymy zatem również na metabolom.
To ważne, bo rośliny tkwią w ziemi
i mają bardzo wyczulony arsenał chemiczny
do ochrony przed wszelkimi zagrożeniami z zewnątrz.
Trzeba więc zaobserwować
zmiany chemiczne zachodzące przy wysuszaniu.
Ostatnim etapem jest badanie na poziomie molekularnym.
Patrzymy na lipidom,
zmiany lipidowe zachodzące podczas wysychania.
To również ważne,
bo wszystkie błony zbudowane są z lipidów.
Nie rozpadają się dzięki wodzie.
Zabieramy wodę, membrana się rozpadnie.
To lipidy wysyłają sygnał włączania genów.
Prowadzimy też badania fizjologiczne i biochemiczne,
by zrozumieć funkcję domniemanych mechanizmów ochronnych,
odkrytych w innych badaniach.
Wszystko razem wykorzystujemy,
by zrozumieć, jak roślina reaguje na środowisko naturalne.
Zawsze staram się podchodzić całościowo
do poznawania zjawiska odporności na wysychanie,
żeby móc zaproponować wartościowe zastosowanie biotechnologiczne.
Wielu z was teraz myśli, że biotechnologiczna aplikacja
oznacza zboża modyfikowane genetycznie.
Zależy jaką definicję GMO przyjąć.
Wszystkie spożywane dzisiaj zboża, pszenica, ryż, kukurydza,
są wysoce zmodyfikowane genetycznie w porównaniu ze swoimi przodkami.
Nie uważamy ich jednak za GMO,
ponieważ pochodzą z upraw konwencjonalnych.
Jeśli myślicie, że chcę umieścić geny rezurekcyjne w uprawach zbóż
odpowiedź brzmi: tak.
Ponieważ czas nagli, już tego spróbowaliśmy.
A dokładniej, moi współpracownicy z UCT,
Jennifer Thomson i Suhail Rafudeen,
byli tu pionierami.
Wkrótce przedstawię wam dane.
Niebawem mamy zamiar zrealizować bardzo ambitny plan.
Zamierzamy włączyć cały pakiet genów,
już obecnych w zbożach,
a które nie aktywowały się jeszcze w warunkach ekstremalnej suszy.
Opinię, czy nazywać to GMO czy nie, pozostawiam wam.
Przedstawię teraz dane z pierwszych badań.
Dla ułatwienia
opowiem krótko, jak działają geny.
Zapewne wszyscy wiedzą,
że geny składają się z ciasno skręconej
podwójnej helisy, tworzącej chromosomy,
które znajdują się w komórkach każdego ciała, również u roślin.
Gdy rozwinąć helisę, otrzymujemy geny.
Każdy gen posiada promotor,
genetyczny włącznik,
region kodujący,
oraz terminator, który określa,
gdzie jeden gen się kończy, a drugi zaczyna.
Promotor to nie taki zwykły włącznik,
zazwyczaj wymaga precyzyjnego strojenia
i spełnienia mnóstwa warunków, żeby nastąpiło włączenie genu.
Zazwyczaj w trakcie badań biotechnologicznych
używa się promotora indukcyjnego,
wiemy, jak go włączyć.
Łączymy go z interesującymi nas genami
i instalujemy w roślinie, czekając, jak zareaguje.
W badaniu, o którym mowa,
moi współpracownicy użyli promotora aktywowanego podczas suszy,
odkrytego w roślinie rezurekcyjnej.
Co wygodne, ten promotor nie wymaga naszej ingerencji,
roślina sama wykrywa suszę.
Tak wprowadziliśmy do roślin geny przeciwutleniaczy z roślin rezurekcyjnych.
Dlaczego właśnie te?
Ponieważ wszystkie czynniki szkodliwe, w szczególności susza,
powodują powstawanie wolnych rodników,
reaktywnych form tlenu,
które są bardzo szkodliwe, mogą powodować obumieranie.
Przeciwutleniacze zatrzymują te procesy.
Oto wyniki badań gatunku kukurydzy popularnego w Afryce.
Z lewej mamy rośliny bez aktywowanych genów,
z prawej z aktywowanymi genami.
Po trzech tygodniach bez podlewania
te z aktywowanymi genami są w dużo lepszym stanie.
Idźmy dalej.
Moje badania wskazują na znaczące podobieństwo
między szuszoodpornymi nasionami a roślinami rezurekcyjnymi.
Powstaje zatem pytanie:
czy używają tych samych genów?
Lub, ujmując to trochę inaczej:
czy rośliny rezurekcyjne
używają genów rozwiniętych dla suszoodpornych nasion
w korzeniach i liściach?
Czy geny nasion posłużyły
do modyfikacji korzeni i liści roślin rezurekcyjnych?
Odpowiedź na to pytanie,
zgodnie z wynikiem badań mojego zespołu
i ostatniej współpracy z zespołem Henka Hilhorsta z Holandii,
Mela Olivera z USA
i Julii Buitink z Francji,
brzmi: tak.
Jest cały pakiet genów biorących udział w obu procesach.
Przedstawię to pobieżnie na przykładzie kukurydzy,
gdzie chromosom poniżej wyłącznika
reprezentuje wszystkie geny odpowiadające za odporność na suszę.
Kiedy nasiona kukurydzy wysychały pod koniec okresu wzrostu,
uruchomiły te geny.
Rośliny rezurekcyjne uruchamiają te same geny
w czasie suszy.
Wszystkie współczesne zboża
mają te geny w korzeniach i liściach,
ale nigdy ich nie włączają.
Włączają je tylko w tkankach nasion.
Właśnie staramy się
zrozumieć środowiskowe i komórkowe sygnały,
które uruchamiają te geny u roślin rezurekcyjnych,
żeby odwzorować ten proces w zbożach.
I ostatnia myśl.
Próbujemy szybko powtórzyć to,
czego w procesie ewolucji roślin rezurekcyjnych
natura dokonała jakieś 10 do 40 milionów lat.
Wspólnie z roślinami dziękujemy za uwagę.
(Brawa)