Jak můžeme přizpůsobit plodiny, aby přežily bez vody

Jak roste světová populace a dopad klimatických změn se ostřeji prohlubuje, budeme potřebovat nasytit více lidí za použití méně orné půdy. Molekulární bioložka Jill Farrant studuje vzácný fenomén, který může pomoci: "rostliny vzkříšení" -- superhouževnaté rostliny, které zdánlivě vstávají z mrtvých. Mohou v sobě skrývat příslib pěstování jídla v našem stále teplejším, sušším světě?

Věřím, že klíč k produkování
extrémně suchomilných plodin,

což může jít naproti zajištění
potravinové bezpečnosti ve světě,

leží v rostlinách vzkříšení,

na obrázku v extrémně vysušenému stavu.

Můžete si myslet,
že tyto rostliny vypadají mrtvě,

ale nejsou.

Dejte jim vodu,

a vzkřísí se, zezelenají,
začnou růst, do 12 až 48 hodin.

Proč bych ale tvrdila,

že produkce suchomilných plodin napomáhá
zajištění potravinové bezpečnosti?

Tedy, aktuální světová populace
je zhruba 7 miliard.

A je odhadováno, že k roku 2050

nás bude mezi 9 a 10 miliardami lidí,

s většinou tohoto růstu
odehrávající se v Africe.

Potravinové a zemědělské
organizace světa navrhly,

že potřebujeme 70procentní růst

v současných zemědělských praktikách,

abychom vyhověli poptávce.

Díky tomu, že rostliny jsou
vespod potravního řetězce,

většina toho bude muset přijít od rostlin.

Ten podíl 70 procent

nebere v potaz
potenciální dopady klimatických změn.

Toto je vytaženo ze studie od Dai
vydané roku 2011,

kde bere v potaz

všechny potenciální dopady
na změny klimatu

a vyjadřuje je ---
mimo další věci ---

zvýšeným suchem kvůli nedostatku deště
nebo nepravidelnému dešti.

Oblasti zde ukázané červeně

jsou oblasti, které donedávna

byly velmi úspěšně
využívané pro zemědělství,

ale už nemůžou kvůli nedostatku srážek.

To je situace, která je předpovězena,
že se stane v roce 2050

Většina Afriky, vlastně, většina světa

se dostane do problému.

Budeme muset popřemýšlet o nějakém
velmi chytrém způsobu produkování jídla.

A upřednostnit mezi nimi
nějaké suchomilné plodiny.

Další věc k zapamatování o Africe je,

že většina jejího zemědělství
je živena deštěm.

Jenže vytváření suchomilných plodin
není zrovna nejlehčí věc na světě.

A tím důvodem je voda.

Voda je zásadní pro život na této planetě.

Vše živé,
aktivně metabolizující organismy,

od mikrobů po vás i mě,

se tvoří převážně z vody.

Veškeré reakce života
se odehrávají ve vodě.

A ztráta malého množství
vody končí smrtí.

Vy a já jsme z 65 procent voda --

ztratíme jedno procento a zemřeme.

Ale můžeme pozměnit chování,
abychom se tomu vyhli.

Rostliny nemohou.

Jsou přilepené k zemi.

A proto mají v první řadě
o trochu více vody než my,

okolo 95 procent vody,

a mohou ztratit o něco více než my,

od 10 do 70 procent
v závislosti na druhu,

ale jen po krátkou dobu.

Většina z nich se bude buď snažit
zabránit nebo se vyhnout ztrátě vody.

Takto extrémní příklady vytrvalců
mohou být nalezeny u sukulentů.

Bývají malé, velmi atraktivní,

ale drží se své vody
za tak velkou cenu,

že rostou extrémně pomalu.

Příklady vyhýbání se ztráty vody nalezneme
ve stromech a křovinách.

Zapouští kořeny velmi hluboko,

dolují podzemní vodní zásoby

a prostě je v sobě neustále proplachují,

aby si udržely hydrataci.

Ten napravo se jmenuje baobab.

Také se nazývá strom vzhůru nohama,

jednoduše protože proporce kořenů
s výhonkem je tak velká,

že to vypadá jakoby ten strom
byl zasazen vzhůru nohama.

Ty kořeny jsou samozřejmě potřebné
na hydrataci této rostliny.

a možná tu nejběžnější strategii vyhýbání
nalezneme u jednoletek.

Jednoletky tvoří velkou část
našich rostliných potravinových zásob.

Na západním pobřeží mé země,

většinu roku neuvidíte
moc rostoucí vegetace.

Ale s jarními dešti přijde toto:

vzkvétání pouště.

Strategie u jednoletek

je nechat je růst jen v obdobích dešťů.

Na konci tohoto období
vyprodukují semínko,

které je suché, má 8 až 10 % vody,

ale velmi živé.

A cokoliv co je takto suché
a stále živé,

nazýváme vysušení odolné.

Ve vysušeném stavu,

co semínka dokáží je,
že leží v extrémních prostředích

po delší dobu.

S přicházejícím obdobím deštů,

vyklíčí a rostou

a celý cyklus začíná znovu.

Rozšířeně se věří, že evoluce
vysušení tolerantních semen

umožnilo kolonizování a rozšíření

krytosemenných rostlin
neboli angiosperms na souš.

Ale zpět k jednoletkám jako
našemu hlavnímu zdroji potravin.

Pšenice, rýže a kukuřice tvoří 95 procent
našich rostlinných zásob jídla.

A to je skvělá strategie,

protože v krátkém časovém rozmezí
můžete vyprodukovat mnoho semen.

Semena jsou energeticky bohatá,
je tam dost kalorií,

můžete je uchovat v době nadúrody
pro doby hladomoru,

ale je tu nevýhoda.

Vegetativní pletivo,

kořeny a listy jednoletek,

nemají moc

vrozených rezistentních, vyhýbavých
ani tolerantních charakteristik.

Prostě je nepotřebují.

Rostou v období dešťů

a mají semínko, které jim
pomůže přežít zbytek roku.

A tak navzdory intenzivní
snaze v zemědělství

vytvořit plodiny s vylepšenými vlastnostmi

jako je odolnost,
nenáchylnost, tolerance –

především odolnost a

protože máme dobré modely
k porozumění, jak fungují --

stále získáváme obrazy jako tento.

Kukuřice v Africe,

dva týdny bez deště

a je mrtvá.

Existuje řešení:

rostliny vzkříšení.

Tyto rostliny mohou ztratit
95 procent své buněčné vody,

zůstanou suché, jakoby mrtvé
po měsíce až roky,

ale dejte jim vodu,

zezelenají a začnou znovu růst.

Jako semínka, která jsou
vysušení odolná.

Jako semínka dokáží vystát
podmínky extrémního prostředí.

A to je velmi vzácný fenomén.

Existuje pouze 135 krytosemenných rostlin,
které to zvládnou.

Ukáži vám video

o procesu vzkříšení
těchto tří druhů

v tomto pořadí.

Vespod

je časová osa, abyste mohli pozorovat,
jak rychle se to děje.

(Potlesk)

Ohromující, že?

Posledních 21 let jsem strávila
snahou pochopit, jak to dělají.

Jak tyto rostliny vyschnou bez umření?

Pracuji na řadě rozdílných
rostlin vzkříšení,

zde ukázaných hydratovaných
i v suchých stavech,

z několika důvodů.

Jeden z nich je,
že každá z nich slouží jako model

pro plodinu, kterou bych chtěla
vytvořit suchomilnou.

Například v levém horním rohu je tráva,

jmenuje se Eragrostis nindensis,

její blízcí příbuzní se jmenují
Eragrostis tef ---

mnozí z vás ji mohou znát jako "teff" ---

je to hlavní jídlo v Etiopii,

je bezlepkové

a je to něco, co bychom rádi
vytvořili suchomilné.

Dalším důvodem pozorování
vícero rostlin je, že,

alespoň zpočátku,

jsem chtěla zjistit:
dělají tu samou věc?

Používají všechny stejné mechanismy,

aby byly schopny ztratit
všechnu vodu a nezemřít?

Tak jsem provedla takzvaný
systematický biologický přístup,

abych získala obecné pochopení

o vysoušecí toleranci,

ve kterém pozorujeme vše

od molekul po celou rostlinu,
na ekofyzické úrovni.

Díváme se třeba na věci způsobem,

jako změny
v rostlinné anatomii při vysušení

a jejich ultrastruktuře.

Díváme se na transkriptomy,
což je pouze termín pro technologii,

ve které pozorujeme geny,

které jsou aktivní nebo ne
v reakci na vysušení.

Většina genů kóduje proteiny,
tak se díváme na proteomy.

Jaké proteiny jsou vytvořené
v reakci na vysušení?

Některé proteiny programují
enzymy, které tvoří metabolity,

tak se díváme na metabolomy.

Toto je důležíté,
protože rostliny jsou přichyceny k zemi.

Používají, co já nazývám,
vysoce vyladěný chemický arzenál,

aby se ochránily před všemi
problémy jejich prostředí.

Je důležité, abychom pozorovali

chemické změny
spojené s vysycháním.

V poslední studii,
kterou děláme na molekulární úrovni,

pozorujeme lipidomy ---

lipidy se mění v důsledku umírání.

A to je také důležité,

protože všechny biologické membrány
jsou tvořeny lipidy.

Udržují se jako mebrány,
jelikož jsou ve vodě.

Odeberte vodu,
tyto mebrány se zbortí.

Lipidy také fungují jako signály
k zapnutí genů.

Pak používáme fyzické
a biochemické studie

k vyzkoušení a porozumění
funkce domnělých ochránců,

které jsme skutečně objevili
v našich studiích.

A pak použít tohle všechno
k vyzkoušení a porozumění,

jak se rostliny vyrovnávají
s jejich přirozeným prostředím.

Mou filozofií vždy bylo,
že potřebuji obecné porozumění

o mechanismech vysoušecí tolerance,

abych vytvořila nějaký smysluplný návrh
na biotické použití.

Určitě si někteří z vás myslí,

"biotickou aplikací,

myslí tím, že vytvoří geneticky
modifikované plodiny?"

A odpovědí na tu otázku je:

záleží na vaší definici
genetické modifikace.

Všechny plodiny, co dnes jíme,
pšenice, rýže a kukuřice,

jsou vysoce geneticky modifikované
našimi předky,

ale nepovažujeme je za GM,

protože byly vyprodukované
tradičním šlechtěním.

Pokud si myslíte, že budu vkládat
do plodin geny rostlin vzkříšení,

pak je odpovědí ano.

V průběhu času
jsme tento postup vyzkoušeli.

Přesněji někteří moji
spolupracovníci v UCT,

Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen,

udělali v tomto přístupu průlom

a brzy vám ukáži nějaká data.

Ale chystáme se začít
s extrémně ambiciózním přístupem,

ve kterém se zaměřujeme
na zapnutí celé sady genů,

které již jsou přítomny
ve všech plodinách.

Akorát že se nikdy nezapnou
v podmínkách extrémního sucha.

Nechám to na vašem uvážení,

jestli by se to mělo nazývat GM nebo ne.

Teď vám ukáži nějaká data
z toho prvního přístupu.

A aby se mi to povedlo,

musím vám vysvětlit
pár věcí o tom, jak geny fungují.

Asi všichni víte,

že geny jsou tvořeny
dvojitou šroubovicí DNA.

Je to spleteno velmi pevně do chromozomů,

které jsou přítomny v každé buňce
našeho těla nebo v těle rostliny.

Pokud rozvážete DNA, získáte geny.

A každý gen má spouštěče,

který je pouze spínač,

oblast genetického programování,

a pak vypínač,

který indikuje, že to je konec genu
a spustí se další gen.

Spouštěče ale nejsou pouhé spínače.

Většinou vyžadují hodně ladění,

hodně věcí přítomných a správných,
než se geny zapnou.

Takže co se typicky dělá
v biotechnických oborech je,

že použijeme vyvolatelné spouštěče,

víme, jak je zapnout.

Shromážďujeme je v potřebných genech,

dáme do rostliny a pozorujeme,
jak rostlina odpovídá.

Ve studiích, o kterých vám budu povídat,

moji spolupracovníci používají
suchem vyvolatelný spouštěč,

který jsme objevili
v rostlinách vzkříšení.

Ta krásná věc v těchto spouštěčích je,
že neděláme nic.

Rostlina sama vycítí sucho.

A využili jsme to k vyhnání antioxidantů
z genů rostlin vzkříšení.

Proč antioxidační geny?

No, všechny zátěže,
především zátěž sucha,

končí tvořením volných radikálů

nebo reaktivní formy kyslíku,

které jsou velmi poškozující
a mohou způsobit plodině smrt.

Antioxidanty ale zastavují toto poškození.

Tady jsou nějaká data druhu kukuřice,
který je běžně využíván v Africe.

Nalevo od šipky
jsou rostliny bez těch genů,

napravo --

rostliny s antioxidačními geny.

Po třech týdnech bez zalévání

si ty s těmi geny
vedou o mnoho lépe.

Teď k hlavnímu přístupu.

Můj výzkum ukázal,
že je tu výrazná podobnost

mezi mechanismy vysoušecí tolerance
v semenech a rostlinami vzkříšení.

Tak jsem se zeptala,

používají stejné geny?

Nebo trochu jinak řečeno,

používají rostliny vzkříšení geny
vytvořené pro semennou vysoušecí toleranci

v jejich kořenech a listech?

Přemístily se tyto geny semene

do kořenů a listů rostlin vzkříšení?

A na otázku odpovím

výsledkem mnoha výzkumů mé skupiny

a nedávné spolupráce se skupinou
Henka Hilhorsta v Nizozemí,

Melem Oliverem ze Spojených států

a Julie Buitink z Francie.

Odpovědí je ano,

že existuje jádrová sada genů,
která je zahrnuta v obou.

A doložím vám to
velmi nahrubo na kukuřici,

kde chromozomy pod spínačem

představují všechny geny požadované
pro vysychající toleranci.

Takže jak semínka kukuřice vysychají
na konci jejich cyklu vývoje,

zapnou tyto geny.

Rostliny vzkříšení
zapínají stejné geny,

když vysychají.

Proto všechny moderní plodiny

mají tyto geny
ve svých kořenech a listech,

akorát je nikdy nezapnou.

Zapnou je pouze v pletivu semene.

Takže co se právě teď snažíme udělat

je pochopit signály prostředí a buněk,

které zapínají tyto geny
v rostlinách vzkříšení

k imitaci toho procesu v plodinách.

A jedna závěrečná myšlenka.

O co se velmi rychle snažíme,

je zopakovat, co příroda udělala
v evoluci rostlin vzkříšení

zhruba 10 až 40 milionů let před námi.

Mé rostliny i já
vám děkujeme za pozornost.

(Potlesk)