Tôi tin rằng bí quyết để sản xuất ra những cây trồng chịu hạn cao,
sẽ giúp đảm bảo nguồn lương thực trên thế giới,
nằm ở loài cây tự hồi sinh,
như chụp ở đây, trong điều kiện hạn hán khắc nghiệt.
Có thể bạn nghĩ rằng những cái cây này có vẻ đã chết rồi,
nhưng không phải vậy.
Tưới nước cho chúng,
chúng sẽ hồi sinh, xanh tươi trở lại, bắt đầu phát triển, từ 12 đến 48 tiếng.
Thế, tại sao tôi lại đề xuất
trồng cây chịu hạn sẽ giúp đảm bảo nguồn lương thực?
Dân số thế giới hiện nay khoảng 7 tỷ người.
Uớc tính đến đến năm 2050,
chúng ta sẽ có từ 9 đến 10 tỷ người,
với sự tăng trưởng lớn về dân số diễn ra ở Châu Phi.
Các tổ chức nông lương trên thế giới
đã đề xuất rằng chúng ta cần tăng 70%
tập quán nông nghiệp hiện thời
để đáp ứng nhu cầu đó.
Dựa vào thực vật là nền tảng của chuỗi thức ăn
phần lớn chuỗi thức ăn đều bắt nguồn từ thực vật.
Tỷ lệ 70% đó
không xem xét đến tác động tiềm tàng của biến đổi khí hậu.
Theo một nghiên cứu do Dai thực hiện, xuất bản năm 2011,
trong đó ông đã xét đến
tất cả ảnh hưởng tiềm tàng của biến đổi khí hậu
và ông cho rằng - giữa những thứ khác -
hạn hán gia tăng do ít mưa hoặc mưa thất thường.
Những vùng đất tô đỏ ở đây,
là những vùng đất, mà cho đến nay,
được sử dụng hiệu quả trong nông nghiệp,
nhưng nay không thể sử dụng được vì thiếu mưa.
Đây là tình huống được dự đoán sẽ xảy ra vào năm 2050.
Phần lớn Châu Phi, thật ra, phần lớn 5 Châu,
sẽ gặp rắc rối.
Chúng ta sẽ phải xét đến một vài cách mau lẹ hơn để sản xuất lương thực.
Và thích hợp hơn cả, một số cây trồng chịu hạn.
Một điều nữa cần nhớ về Châu Phi là
hầu hết nền công nghiệp của họ dựa vào nước mưa.
Trên thế giới, trồng các cây chịu hạn không phải điều dễ dàng.
Và lý do chính là nguồn nước.
Nước cần thiết cho sự sống trên hành tinh này.
Mọi sinh vật sống, tham gia quá trình chuyển hóa,
từ vi trùng đến bạn và tôi,
được cấu tạo phần lớn từ nước.
Mọi phản ứng của sự sống diễn ra trong nước.
Chỉ cần thiếu hụt 1 lượng nước nhỏ cũng dẫn đến tử vong.
Trong cơ thể chúng ta 65% là nước--
nếu mất đi 1% nước, chúng ta chết.
Để tránh việc đó, ta có thể thay đổi hành vi
Thực vật thì không thể.
Thực vật bám vào đất.
Vì thế giai đoạn đầu thực vật chứa khá nhiều nước so với chúng ta,
khoảng 95% nước,
thực vật có thể mất một lượng nước nhiều hơn con người,
từ 10 đến khoảng 70%, tùy loài,
nhưng chỉ trong chốc lát.
Phần lớn thực vật sẽ hoặc chống lại hoặc ngăn chặn việc mất nước.
Những ví dụ về cây chống mất nước có thể tìm thấy ở cây mọng nước.
Loài cây này thường nhỏ, rất đẹp mắt,
nhưng việc chúng giữ nước dẫn đến bất lợi lớn
chúng phát triển cực kì chậm.
Ví dụ việc ngăn mất nước được tìm thấy ở cây gỗ và cây bụi.
Rễ của chúng bám sâu vào đất,
mạch nước dưới lòng đất cung cấp
và cứ liên tục súc rễ cây bằng nước,
và giữ cho chúng ẩm ướt.
Cái cây ở bên phải là cây bao báp.
Nó cũng được gọi là "cây lật ngược",
chỉ vì từ phần rễ đến phần chồi lớn
đến nỗi nó có vẻ được trồng lật ngược.
Và tất nhiên bộ rễ hút nước cho cây.
Và có lẽ chiến lược ngăn chặn sự mất nước phổ biến nhất thường thấy ở cây hàng năm.
Cây hàng năm chiếm phần lớn trong nguồn thức ăn thực vật của ta.
Dọc theo bờ biển phía tây nước tôi,
gần như cả năm, bạn không thấy thực vật phát triển.
Nhưng khi mưa xuân đến, bạn thấy điều này:
hoa nở trên sa mạc.
Chiến lược phát triển cây hàng năm
là trồng vào mùa mưa,
Cuối mùa, chúng cho ra một hạt,
hạt đó khô, chiếm 8 - 10% lượng nước,
nhưng còn sống.
Cây nào bị khô cằn mà vẫn còn sống,
chúng tôi xem là chịu được hạn.
Trong tình trạng khô hạn,
điều giúp hạt sống là nằm im trong sự cực hạn của môi trường
trong khoảng thời gian dài.
Lần tới, khi mùa mưa đến,
chúng nảy mầm và sinh trưởng,
và toàn bộ chu kỳ lại bắt đầu.
Người ta tin rằng sự tiến hóa của hạt chịu hạn
đã cho phép sự nảy nở và bức xạ
của thực vật có hoa hay cây hạt kín lên trên mặt đất.
Nhưng quay lại với cây hàng năm, nguồn cung cấp thực phẩm chính.
Lúa mì, gạo và ngô chiếm 95% nguồn cung cấp lương thực.
Đó là một chiến lược tuyệt vời
vì trong khoảng thời gian ngắn bạn có thể sản xuất nhiều hạt.
Hạt giàu năng lượng nên có nhiều calo trong thực phẩm
bạn có thể dự trữ hạt lúc đói kém,
nhưng có một bất lợi.
Tế bào thực vật,
rễ và lá của cây hàng năm
không có nhiều đặc điểm
chống chọi hoặc chịu đựng do di truyền.
Chúng không cần đặc điểm đó.
Chúng phát triển vào mùa mưa
và để sống sót, chúng ra hạt trong thời gian còn lại của năm.
Vì vậy, mặc cho những nỗ lực hết mình trong nông nghiệp
để tạo ra cây trồng có cải tiến về tính chất
như sức chống chịu, khiếm khuyết và chịu đựng
đặc biệt là sức chống chịu và khiếm khuyết
vì chúng tôi có mô hình khả dĩ hiểu về cách thức hoạt động
của các tính chất đó nên sẽ hình dung như sau,
Cánh đồng ngô ở Châu Phi,
trong hai tuần không mưa
và đồng ngô chết.
Có một giải pháp:
loài cây chịu hạn.
Loài cây này có thể mất 95% lượng nước trong tế bào,
duy trì tình trạng khô và "như-chết - rồi" nhiều tháng đến nhiều năm.
và khi được tưới nước
chúng xanh tươi và bắt đầu phát triển trở lại
Giống như hạt cây, chúng chịu được hạn.
Giống như hạt cây, chúng có thể chịu được điều kiện môi trường khắc nghiệt nhất.
Và đây là hiện tượng rất hiếm xảy ra.
Chỉ có 135 loài cây có hoa làm được điều này.
Tôi sẽ cho bạn xem một video
về quá trình hồi sinh của ba loài cây trên
theo thứ tự.
Và ở dưới
có trục thời gian, bạn có thể thấy nó diễn ra nhanh ra sao.
(Vỗ tay)
Rất đáng ngạc nhiên, đúng không?
Tôi đã dành 21 năm qua cố gắng để hiểu cách chúng làm được điều này.
Cách nào mà các loài cây này khô héo mà vẫn sống?
Tôi nghiên cứu nhiều loài cây chịu hạn khác nhau,
được chiếu ở đây trong tình trạng khô và ngậm nước,
vì nhiều lý do.
Một trong số đó là mỗi cây này là một mô hình tượng trưng
cho một cánh đồng chịu hạn mà tôi muốn gieo trồng.
Ví dụ, ở phía trên cùng bên trái là một đồng cỏ,
có tên là Ersgrostis nindensis,
Nó có họ hàng gần tên là Eragrostis tef --
nhiều người có thể biết với tên "teff" --
là thức ăn chính ở Ethiopia,
không có gluten,
và chúng tôi muốn làm cho nó chịu được hạn.
Lý do khác để tìm hiểu một số loài cây là
ít nhất thì ban đầu,
tôi muốn biết rằng: chúng có đặc điểm giống nhau?
Chúng có sử dụng cùng cơ chế
có khả năng mất nước mà không chết?
Vì thế tôi thực hiện phương pháp tiếp cận hệ thống sinh học
để có cách hiểu thấu đáo hơn
về khả năng chịu hạn,
và chúng tôi xét tất cả
từ phân tử cho đến toàn bộ cây, rồi đến sinh lý môi trường.
Ví dụ, chúng tôi xem xét các đặc điểm như
các thay đổi ở giải phẫu thực vật khi khô héo
và cấu trúc siêu vi.
Chúng tôi xem xét hệ phiên mã, đó là một thuật ngữ công nghệ
ở đó chúng tôi nghiên cứu gen
khởi động và kết thúc phản ứng theo sự khô héo.
Phần lớn gen sẽ tổng hợp protein, nên chúng tôi xem xét hệ protein.
Protein gì được tổng hợp khi cây khô héo?
Một số protein sẽ tạo ra enzyme tạo nên chất chuyển hóa,
nên chúng tôi xét hệ chuyển hóa.
Điều này quan trọng vì cây bám vào đất.
Chúng sử dụng cái mà tôi gọi là vũ khí hóa học thích ứng cao
để bảo vệ chúng khỏi sức ép của môi trường.
Quan trọng là chúng tôi xem xét
thay đổi hóa học xảy ra khi cây khô héo.
Trong nghiên cứu gần đây, chúng tôi làm ở cấp phân tử,
quan sát hạt mỡ --
lipid thay đổi theo sự khô héo.
Điều đó cũng quan trọng
vì toàn bộ màng sinh học đều do lipid tạo ra.
Lipid giữ như các màng mỏng khi chúng trong nước.
Bị tách khỏi nước, các màng mỏng cũng rời ra.
Lipid cũng đóng vai trò dấu hiệu để khởi động gen.
Sau đó, chúng tôi nghiên cứu về sinh lý học và sinh hóa
để thử nghiệm và hiểu được vai trò của các tế bào bảo vệ giả định
trong các nghiên cứu khác của mình chúng tôi thật sự phát hiện ra
Sau đó, tổng hợp lại để thử nghiệm và hiểu
thực vật đối phó với môi trường tự nhiên ra sao.
Tôi luôn có một triết lý rằng tôi cần hiểu một cách thấu đáo
cơ chế chống chịu hạn
để đưa ra những đề xuất có ích cho ứng dụng sinh vật.
Tôi chắc rằng bạn đang nghĩ,
"Bằng ứng dụng sinh vật
bà ấy đang định tạo ra cây trồng biến đổi gen phải không?"
Và câu trả lời cho câu hỏi là:
tùy vào cách bạn định nghĩa biến đổi gen.
Tất cả cây trồng chúng ta ăn hiện nay, lúa mì, gạo và ngô,
đều biến đổi gen rất nhiều so với tổ tiên của chúng,
nhưng chúng ta không xem là biến đổi gen
vì chúng được sản xuất theo sự sinh sản thông thường.
Nếu bạn có ý đó, tôi sẽ đưa gen của loài cây bất tử vào cây trồng?
Câu trả lời là đúng thế.
Theo thời gian, chúng tôi đã thử cách đó.
Đúng hơn là, một trong số các cộng tác viên của tôi ở UCT,
Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen,
đã tiên phong áp dụng cách đó
và tôi sẽ sớm cho bạn thấy số liệu.
Nhưng chúng tôi dự định thực hiện phương pháp đó đầy tham vọng,
mà chúng tôi nhắm đến việc khởi động toàn bộ hệ gen
sẵn có ở mỗi cây trồng.
Chúng chỉ không bao giờ tháo xoắn dưới điều kiện cực khô hạn.
Tôi để bạn quyết định
làm vậy có nên gọi là biến đổi gen không.
Tôi sẽ cho bạn xem số liệu của phương án đầu tiên.
Và để làm điều đó
tôi phải giải thích một chút về hoạt động của gen.
Có lẽ bạn đều biết
gen gồm hai đoạn ADN đôi.
ADN xoắn chặt thành nhiễm sắc thể
hiện diện ở mỗi tế bào của cơ thể bạn hoặc cơ thể thực vật.
Nếu bạn tháo xoắn ADN, bạn nhận được gen.
Và mỗi gen có 1 vùng khởi động
chỉ là nút tắt-mở,
vùng mã hóa gene
và vùng kết thúc,
là vùng cho thấy đây là phần cuối của gen, gen kế tiếp sẽ bắt đầu.
Vùng khởi động không đơn giản chỉ là nút tắt-mở.
Chúng thường cần tinh chỉnh nhiều,
nhiều thành phần hiện diện và chuẩn xác trước khi gen được mở lên.
Điều tiêu biểu đạt được trong nghiên cứu công nghệ sinh học là
chúng tôi dùng vùng khởi động cảm ứng
chúng tôi biết cách khởi động nó.
Ghép cặp gen chúng tôi quan tâm
chuyển vào cây trồng và xem xem chúng phản ứng ra sao.
Trong nghiên cứu tôi định cho bạn biết,
cộng tác viên của tôi dùng chất hoạt hóa chịu hạn,
mà chúng tôi đã phát hiện ở cây bất tử.
Điều thú vị về vùng khởi động là chúng tôi không làm gì cả.
Tự cây trồng cảm nhận hạn hán.
Chúng tôi dùng chất hoạt hóa điều khiển gen chống oxy hóa từ cây bất tử.
Tại sao lại là gen chống oxy hóa?
Vâng, tất cả áp lực, đặc biệt là áp lực từ hạn hán,
dẫn đến sự hình thành gốc tự do,
hoặc loài có phản ứng hóa học với oxy,
gây thiệt hại cao và có thể làm chết cây.
Chất chống oxy hóa làm gì để chấm dứt thiệt hại đó?
Đây là vài số liệu từ giống ngô được sử dụng rất phổ biến ở Châu Phi.
Ở bên trái mũi tên là cây trồng không có gen này,
ở bên phải --
là cây trồng với gen chống oxy hóa.
Sau ba tuần không tưới nước,
những cây mang gen phát triển rất tốt.
Về cách tiếp cận cuối cùng.
Nghiên cứu của tôi cho thấy sự giống nhau một cách rõ rệt
trong cơ chế chịu hạn trong hạt và cây bất tử.
Tôi sẽ đặt ra một câu hỏi,
chúng chung bộ gen không?
Hay nói cách khác,
cây chịu hạn dùng gen tiến hóa trong hạt chịu hạn
trong rễ và lá của chúng?
Chúng giao nhiệm vụ lại cho hạt giống gen
trong rễ và lá cây chịu hạn hay không?
Và tôi trả lời câu hỏi đó,
nhờ kết quả từ nhiều cuộc nghiên cứu của nhóm mình
và sự hợp tác gần đây từ nhóm Henk Hilhorst ở Hà Lan,
Mel Olivier ở Mỹ
và Julia Buitink ở Pháp.
Câu trả lời là có,
có một bộ gen thiết yếu tham gia vào cả hai việc đó.
Tôi sẽ diễn giải sơ qua điều này ở ngô,
nơi nhiễm sắc thể nằm dưới nút tắt
đại diện cho toàn bộ gen cần thiết cho sự chịu hạn.
Khi hạt ngô khô lại vào cuối thời kỳ phát triển,
chúng khởi động các gen này.
Cây bất tử khởi động cùng một bộ gen
khi chúng khô héo.
Do đó, những cây trồng hiện nay,
có các bộ gen này ở rễ và lá của chúng,
chúng chưa bao giờ khởi động gen.
Chúng chỉ khởi động gen ở mô hạt.
Vậy những gì chúng cần làm bây giờ
là hiểu dấu hiệu của môi trường và tế bào
dấu hiệu mà khởi động gen ở cây bất tử,
để bắt chước quá trình diễn ra ở ngô.
Và chỉ một ý tưởng cuối cùng.
Chúng tôi đang cố gắng làm thật nhanh chóng
đó là lặp lại những gì tự nhiên đã làm trong sự tiến hóa ở cây chịu hạn
khoảng 10 đến 40 triệu năm về trước.
Tôi cùng cây trồng của mình cảm ơn sự chú ý của bạn.
(Vỗ tay)