Hogyan tudnak a növények víz nélkül is túlélni?

Ahogy a világ népessége nő, és a klímaváltozás hatása mind jobban érződik, egyre kevesebb termőföldről kell élelemmel ellátnunk egyre több embert. Jill Farrant molekuláris biológus egy ritka jelenséget tanulmányoz, ami segíthet a megoldásban: "újraéledő növények" - nagyon ellenálló növények, amik látszólag visszatérnek a halálból. Ezek jelenthetik vajon a megoldást a növekvő élelemigényre az egyre forróbb és szárazabb világunkban?

Szerintem a különösen szárazságtűrő
növények termesztésének titka,

azoké, amelyek képesek lennének garantálni
a világ élelmiszer-biztonságát,

az újraéledő növényekben rejlik.

Ezek itt, a képen,
különösen kiszáradt állapotban láthatóak.

Az gondolhatják,
hogy ezek a növények halottnak tűnnek.

de nem.

Adjunk nekik vizet,

és újraélednek, kizöldülnek,
és 12-48 órán belül elkezdenek növekedni.

Tehát, miért javaslom azt,

hogy szárazságtűrő növényekkel próbáljunk
gondoskodni az élelmiszer-biztonságról?

Nos, jelenleg a világ népessége
7 milliárd fő körül van.

És a 2050-re szóló becslések szerint

9-10 milliárdan leszünk.

A növekedés nagy része Afrikában
fog bekövetkezni.

A világ élelmiszer és
mezőgazdasági szervezetei

az javasolták, hogy 70%-al növeljük

a jelenlegi mezőgazdasági termelést

az igények kielégítésére.

Tekintettel arra, hogy az élelmiszerlánc
alapja a növények,

minden a növényektől függ.

Ez a 70%-os növekedés nem veszi figyelembe

a klímaváltozás lehetséges hatását.

Dai egyik 2011-ben közölt tanulmányában

figyelembe vette és bemutatta

az összes lehetségeset,

így - egyebek mellett - az esők hiánya

vagy nem kellő mennyisége
hatására kialakuló fokozott szárazságot.

A vörössel jelzett területek,

olyan területek, amelyek a közelmúltig

nagyon sikeres mezőgazdasági
tevékenységet folytattak,

de fel kellett hagyniuk vele
az eső hiánya miatt.

2050-re várhatóan ilyen lesz a helyzet.

Afrika, de valójában a világ nagy része

bajban lesz.

Ki kell, hogy találjunk pár jó módszert
az élelmiszerek termelésére,

leginkább a szárazságtűrő növényekére.

Nem szabad elfelejtenünk, hogy Afrika,

termőföldjeinek nagy része
az esőtől függ.

Szárazságtűrő növényeket alkotni
nem a legegyszerűbb dolog a világon.

Ennek az oka a víz.

A víz nélkülözhetetlen az élethez
ezen a bolygón.

Az összes élő,
anyagcserét folytató élőlény,

a mikrobáktól az emberig,

túlnyomórészt vízből áll.

Minden élethez köthető reakció
vízben történik.

És már kis mennyiségű víz elvesztése is
halálhoz vezet.

Testünk 65%-a víz --

ha elveszítjük 1%-át, meghalunk.

De tudunk úgy cselekedni,
hogy ezt elkerüljük.

A növények nem.

Ők a földhöz vannak kötve.

Ezért először is, egy kicsit több víz
van bennük, mint bennünk,

körülbelül 95%,

és kicsit többet
veszíthetnek belőle nálunk,

olyan 10-70%-ot, attól függően,
milyen fajról van szó,

de csak egy rövid ideig.

A legtöbbjük megpróbál ellenállni,
vagy elkerülni a vízveszteséget.

Extrém példa az ellenállókra a pozsgások.

Általában kicsik, nagyon vonzóak,

de hatalmas árat fizetnek
a vízmegtartó képességükért:

rendkívül lassan növekednek.

A vízveszteség elkerülésére jó példákat
találunk a fáknál és cserjéknél.

Gyökereiket nagyon mélyre fúrják,

megcsapolják a talajvíz-készletet,

és folyamatosan biztosítják
vízellátásukat,

és vízzel telítve tartják magukat.

A jobb oldali növény a majomkenyérfa.

Amit felfordított fának is neveznek,

egyszerűen azért, mivel a gyökerek aránya
olyan nagy a lombkoronához képest,

hogy úgy tűnik,
mintha fejjel lefelé ültették volna el.

Természetesen ezek a gyökerek
a fa vízellátása miatt szükségesek.

Talán a legismertebb példa a vízhiány
elleni védekezésre az egynyári növényeké.

Az egynyári növények teszik ki
élelmünk nagy részét.

Például ahol élek, a nyugati partvidéken,

az év nagy részében nem látni
nagy növekedést a vegetációban.

De ha eljönnek a tavaszi esők, ezt lájuk:

kivirágzik a sivatag.

Az egynyári növények stratégiája,

hogy csak az esős évszakban nőnek.

Az évszak végén magot hoznak,

ami száraz, 8-10% víztartalmú,

de nagyon is él.

Ami ennyire száraz és mégis él,

azt kiszáradástűrőnek mondjuk.

Kiszáradt állapotban

a magok szélsőséges környezetben is
hosszú ideig

életben tudnak maradni.

Amikor a legközelebbi esős évszak jön,

kicsíráznak és elkezdenek nőni,

majd az egész körfolyamat újrakezdődik.

Sokan gondolják úgy, hogy a kiszáradás-
tűrő magok kialakulása tette lehetővé

az egynyári és zárvatermő növények számára

a szárazföld meghódítását és
elterjedésüket a világban.

De vissza az egynyáriakhoz, mint
a fő élelemforrásunkhoz.

A búza, a rizs és a kukorica 95%-át adják
a növényi élelmiszer-készleteinknek.

Ez egy jó stratégia volt,

mivel rövid idő alatt lehet
előállítani sok magot.

A magok energiában gazdagok,
ezért sok bennük a kalória,

sokáig lehet tárolni őket,
felkészülve az éhínség időszakára.

De van egy hátrányuk:

A vegetatív szövetek

az egynyáriak gyökere és levelei

nem nagyon képesek

például az állandó ellenállásra,
szárazság elkerülésére vagy tolerálásra.

Egyszerűen nincs rá szükségük.

Az esős évszakban nőnek,

és van magjuk, ami segíti a túlélésüket
az év további időszakaiban.

Ezért minden igyekezetünk ellenére,
hogy olyan növényeket

neveljünk, amelyek jobb ellenállással,

elkerüléssel és toleranciával
rendelkeznek --

különösen ellenállással és elkerüléssel,

mivel jó modelljeink vannak a folyamatok
és a működésük megértéséhez --

még mindig ilyen képeket láthatunk.

Kukorica Afrikában,

két hét eső nélkül

és elpusztul.

A megoldás:

újraéledő növények.

Ezek képesek arra, hogy elveszítsék 95%-át
sejtjeik víztartalmának,

kiszáradt, múmiaszerű állapotban maradnak
hónapokig vagy évekig,

majd ha vizet adunk nekik,

kizöldülnek és újra nőni kezdenek.

Ezek a növények kiszáradástűrők,
akárcsak a magok,

A magokhoz hasonlóan képesek ellenállni
szélsőséges környezeti feltételeknek.

És ez egy nagyon ritka jelenség.

Összesen 135 virágos növényfajt
ismerünk, ami képes rá.

Egy videón bemutatom

az újraéledés folyamatát három fajnál,

ebben a sorrendben.

Az alján

olvasható az idő, így látszik
mennyire gyors a folyamat.

(Taps)

Elképesztő, ugye?

Nos az elmúlt 21 évemet azzal töltöttem,
hogy megértsem, hogyan működik ez.

Hogy tudnak kiszáradni a növények anélkül,
hogy elpusztulnának?

Különböző újraéledő növénnyel dolgoztam,

-- itt láthatóak nedves
és száraz állapotban --,

több ok miatt is.

Egyik ok, hogy mind mintául szolgálhat
azon haszonnövényeknek,

amelyeket szárazságtűrővé akarunk tenni.

A bal felső sarokban például
egy fűfélét látunk,

amit Eragrostis nindensis néven ismerünk,

közeli rokonságban áll
az Eragrostis tef-fel --

sokan "teff" néven ismerhetik --

ami Etiópia legfontosabb élelme,

és gluténmentes,

és ez az egyik, amit szeretnénk
szárazságtűrővé tenni.

A másik ok, amiért
számos növényt megvizsgáltam

- legalábbis kezdetben -

hogy tudni akartam:
mind ugyanúgy csinálja?

Mind ugyanazt a mechanizmust használják,

hogy elveszítve víztartalmukat mégis
életben maradjanak?

Belevágtam a rendszer-biológiai
megközelítésbe,

hogy átfogó képet kapjak

a kiszáradás-tűrésről.

Ebben mindent vizsgálunk,

a molekulától a teljes növényig,
ökológiai szintig.

Például, olyan dolgokat,

hogy miként változik
a kiszáradt növények anatómiája,

ultrastruktúrája.

Megvizsgáltuk a transzkriptómákat,
ami azt technológiát jelenti,

hogy megkeressük azokat a géneket,

melyek ki- vagy bekapcsolnak
a kiszáradás hatására.

A legtöbb gén fehérjéket kódol,
így fehérjekészletet elemeztük.

Melyik fehérjék felelősek
a szárazságtűrésért?

Néhány fehérje enzimeket kódol, melyek
anyagcsere-termékeket állítanak elő,

ezért vizsgáltuk e termékeket.

Ez azért fontos, mivel a növények
a földhöz kötötten élnek.

Nagyon finoman hangolt
kémiai fegyvertárat használnak,

hogy megvédjék magukat
a káros környezeti hatásoktól.

Szintén fontos, hogy vizsgáltuk

a kiszáradás okozta kémiai változásokat.

Az utolsó kutatásunkat
molekuláris szinten végezzük:

a lipideket vizsgáljuk,

amik változnak a kiszáradás hatására.

Ez szintén fontos,

mivel az összes biológiai membrán
lipidekből épül fel.

Ők tartják össze a membránt,
mivel vízben vannak.

Ha elvesszük a vizet,
e membránok szétesnek.

A lipidek a gének
bekapcsoló jeleként is működnek.

Aztán fiziológiai és biokémiai
kutatásokat végzünk,

hogy megpróbáljuk megérteni
a feltételezett védőanyagok működését,

amiket már más kutatásokban felfedeztünk.

Ezután e tudással megpróbáljuk megérteni,

hogyan alkalmazkodnak a növények
természetes élőhelyükön.

Mindig az volt a filozófiám,
hogy átfogóan kell megérteni

a szárazságtűrés működését ahhoz,

hogy hasznos tanácsokat tudjunk adni
a biomérnökök munkájához.

Most biztosan azt gondolják:

"Biomérnöki munkák,

ez azt jelenti,
hogy génmódosított növények?"

A válasz erre a kérdésre:

Attól függ, hogy mit nevezünk
génmódosításnak.

Az összes növény, amit manapság eszünk,
búza, rizs és kukorica,

genetikailag nagy mértékben
eltérnek az őseiktől,

de nem tekinthetők génmódosítottnak,

mivel hagyományos nemesítéssel készültek.

Ha úgy értik, hogy újraéledő
növényi géneket rakok a növényekbe,

akkor a válasz igen.

Korábban már próbálkoztunk
ezzel a megközelítéssel.

Pontosabban, néhány kollégám
a Cape Town Egyetemen,

Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen,

kiválóak e megközelítésben.

Nemsokára mutatok néhány adatot erről.

De bele akarunk kezdeni
egy nagyra törő kutatásba,

amely be akar kapcsolni
egy teljes sorozat gént,

melyek minden növényben megtalálhatóak.

Csak ezek egyszerűen nem kapcsolódtak be
nagyon száraz időben.

Döntsék el önök,

hogy ez génmódosítás-e vagy sem.

Mutatok néhány adatot,
az első megközelítésből.

Ehhez viszont pár dolgot

el kell mondanom arról,
hogyan működnek a gének.

Gondolom, mindenki tudja,

a gének a kettős DNS-szálból épülnek fel.

Ezek építik fel a kromoszómákat,

amelyek minden emberi
vagy növényi sejtben benne vannak.

Ha legombolyítjuk a DNS-t,
akkor géneket kapunk.

Minden génnek van egy
indító (promóter) szakasza,

ami csak egy be/ki kapcsoló

a gén kódterületén,

és egy záró (terminátor) szakasza,

amely jelzi, hogy itt a vége
a génnek és kezdődik a következő.

De a promóterek
nem egyszerű be/ki kapcsolók.

Sok finomhangolást igényelnek,

sok dolognak kell pontosan a helyén
lennie, mielőtt a gén bekapcsolódik.

A biotechnológiai kutatásban többnyire

gerjeszthető promótert használnak,

aminek ismert a bekapcsolása.

Van pár érdekes génünk, amiket beteszünk

a növényekbe, és azt vizsgáljuk,
hogyan reagálnak rá.

A kutatásban, amiről beszélni akarok,

kollégáim szárazság hatására kapcsoló
promótert használnak,

amiket mi az újraéledő
növényekben fedeztünk fel.

A legjobb ezekben a promóterekben,
hogy semmit sem kell tennünk.

A növény maga észleli a szárazságot.

Arra használjuk őket, hogy antioxidáns
géneket vigyünk át újraéledő növényekből.

Miért antioxidáns géneket?

Minden stressz,
különösen a szárazságstressz,

szabad gyökök, vagy reaktív oxigén

képződését eredményezi,

melyek nagyon károsak és
a növény pusztulását okozhatják.

Az antioxidánsok meg tudják
gátolni ezt a a károsodást.

Itt láthatunk néhány adatot egy Afrikában
nagyon népszerű kukoricafajtáról.

A nyíltól balra a gén nélküli
növényeket látjuk,

jobbra pedig

az antioxidáns gént tartalmazó növényeket.

Három öntözés nélküli hét után,

a gént tartalmazó növények
sokkal jobban néznek ki.

Végül összefoglalásként.

A kutatásom kimutatta,
hogy jelentős hasonlóság van

a magok és az újraéledő növények
szárazságtűrése között.

Ezért feltettem a kérdést:

azonos géneket használnak?

Vagy kicsit máshogy megfogalmazva:

az újraéledő növények kifejlesztették
a magok kiszáradás-tűrését a leveleikben

és a gyökereikben?

Ezek a mag-gének új feladatot kaptak

az újraéledők gyökereiben és leveleiben?

És megválaszoltam a kérdést:

csoportom kutatómunkájának,

valamint a holland Henk Hilhorst,
az amerikai Mel Oliver

és a francia Julia Buitink

kutatókkal történt
együttműködésünknek köszönhetően,

a válasz: igen.

Van egy sor olyan gén, amely mind a két
folyamatban részt vesz.

Ez nagyon határozottan be tudom mutatni
a kukoricán,

ahol a kapcsolók alatti
kromoszómák jelképezik

az összes gént, amelyek szükségesek
a szárazságtűréshez.

Amikor a kukoricamag kiszárad,
a kifejlődésének a végén,

bekapcsolja e géneket.

Az újraéledő növények
ugyanezeket a géneket kapcsolják be,

amikor kiszáradnak.

Ebből adódóan, az összes haszonnövény

rendelkezik ezekkel a génekkel,

csak soha nem kapcsolják be őket.

Csak a magszövetekben.

Most meg szeretnénk érteni

a környezeti és sejtes jelzőket,

amelyek bekapcsolják az újraéledő
növényekben ezeket a géneket,

és leutánozni a folyamatot
a haszonnövényeinkben.

És végül egy gondolat.

Mi most megpróbáljuk nagyon gyorsan

megismételni azt, amit az evolúció

10-40 millió év alatt tett
az újraéledő növényekkel.

A növényeim és én is köszönöm a figyelmet!

(Taps)