Come possiamo far sopravvivere le piante senza acqua

Visto che la popolazione mondiale cresce e i cambiamenti climatici si fanno di maggior rilievo, avremo bisogno di fornire cibo a più persone utilizzando una minore superficie coltivabile. La biologa molecolare jill Farrant studia un raro fenomeno che potrebbe essere d'aiuto: "le piante della resurrezione" - piante super resilienti che apparentemente ritornano in vita.
Potranno custodire la promessa di coltivare alimenti nel nostro mondo sempre più caldo e arido?

Credo che il segreto per produrre colture
molto resistenti alla siccità,

che potrebbero in qualche modo portare
la sicurezza alimentare nel mondo,

risieda nelle "piante della resurrezione",

raffigurate qui, in uno stato di
estrema mancanza d'acqua.

Potreste pensare che queste piante
siano morte,

ma non lo sono.

Dategli dell'acqua,

e risorgeranno, si rinverdiranno,
cominceranno a crescere, in 12-48 ore.

Ora, perchè suggerirei l'idea

che produrre colture resistenti
alla siccità

ci condurrà alla sicurezza alimentare?

Beh, l'attuale popolazione mondiale si
aggira sui 7 miliardi.

E si stima che entro il 2050,

saremo tra i 9 e i 10 miliardi di persone,

con la maggior parte di questa crescita
concentrata in Africa.

Le organizzazoni mondiali per
il cibo e l'agricoltura

hanno suggerito che avremo
bisogno di una crescita del 70%

nelle attuali pratiche agricole

per soddisfare quella domanda.

Dato che le piante sono
alla base della catena alimentare,

la maggior parte dovrà provenire
dalle piante.

Questa percentuale del 70%

non prende in considerazione gli eventuali
effetti dei cambiamenti climatici.

Questa immagine proviene da uno studio
di Dai pubblicato nel 2011,

nel quale prese in considerazione

tutti i potenziali effetti dei
cambiamenti climatici

e dichiarò che, tra le altre cose,

ci sarà una maggiore aridità
dovuta alla mancanza

o riduzione delle precipitazioni.

Le aree in rosso mostrate qui,

sono aree che fino a poco tempo fa

erano proficuamente usate per
l'agricoltura,

ma non possono più esserlo
a causa della scarsità delle piogge.

Questa è la situazione prevista
per il 2050.

La maggior parte dell'Africa, di fatto,
la maggior parte del mondo,

si troverà nei guai.

Dovremo pensare a dei modi
molto intelligenti di produrre cibo.

E preferibilmente tra questi,
alle piante resistenti alla siccità.

L'altra cosa da ricordare
sull'Africa è

che la maggior parte
della loro agricoltura

è irrigata con la pioggia.

Ora, creare piante resistenti alla siccità
non è la cosa più facile del mondo.

E la ragione è l'acqua.

L'acqua è essenziale per la vita su
questo pianeta.

Tutti gli organismi viventi, con
un metabolismo attivo,

dai microbi a voi e me,

sono composti principalmente da acqua.

Tutte le reazioni vitali
accadono in acqua.

E una perdita di una piccola quantità di
acqua porta alla morte.

Voi ed io siamo composti al 65% d'acqua.

Se ne perdiamo l'1%, moriamo.

Ma possiamo cambiare il nostro
comportamento per evitarlo.

Le piante non possono.

Sono legate al terreno.

Perciò in primo luogo hanno un po' più
d'acqua rispetto a noi,

circa il 95% di acqua,

e possono perderne un po'
più di noi,

dal 10 al 70%, a seconda della specie,

ma solo per brevi periodi.

La maggior parte cercherà di resistere o
di evitare la perdita d'acqua.

Un ottimo esempio di resistenza
può essere trovato nelle piante grasse.

Tendono ad essere piccole, molto belle,

ma si tengono stretta la propria acqua
al prezzo di crescere molto lentamente.

Esempi di contenimento della perdita
d'acqua si trovano tra alberi e cespugli.

Incastrano al suolo radici molto profonde,

estraggono risorse d'acqua sotterranee

e la fanno fluire al loro interno
in ogni momento,

mantenendosi idratate.

Quello a destra è chiamato Baobab.

Anche conosciuto come l'albero
a testa in giù,

semplicemente perchè la proporzione delle
radici rispetto ai rami è tanto grande

da far sembrare che l'albero sia stato
piantato a testa in giù.

E ovviamente le radici sono necessarie per
l'idratazione della pianta.

E probabilmente la strategia
più comune di contenimento

si trova nelle piante annuali.

Le annuali costituiscono la maggior parte
del nostre risorse di piante alimentari.

Sulla costa occidentale del mio paese,

per la maggior parte dell'anno non
si osserva una grande crescita vegetale.

Ma all'arrivo delle piogge primaverili,
si ottiene questo:

la fioritura del deserto.

La strategia nelle annuali,

è quella di crescere solo nella
stagione piovosa.

Alla fine di quella stagione
producono un seme,

che è secco, dall'8 al 10% di acqua,

ma molto attivo.

E tutto ciò che è così secco
ma comunque attivo,

è ritenuto resistente all'essicazione.

Nello stato essiccato,

quello che i semi possono fare è
giacere agli estremi dell'ambiente

per lunghi periodi di tempo.

La volta successiva in cui
una pioggia estiva arriva,

germogliano e crescono,

e l'intero ciclo semplicemente ricomincia.

È opinione condivisa che l'evoluzione
delle piante resistenti alla siccità

abbia permesso la colonizzazione
e la diffusione

delle piante da fioritura,
o angiosperme, sulla terraferma.

Ma torniamo alle piante annuali, cioè
alla nostra scorta alimentare.

Grano, riso e mais costituiscono il 95%
delle nostre scorte di cibo vegetali.

Ed è un'ottima strategia

perché in un breve periodo di tempo
se ne posso produrre molti semi.

I semi sono ricchi di energia,
hanno molte calorie,

e possiamo conservarli in tempi
di abbondanza per tempi di magra,

ma c'è un lato negativo.

I tessuti vegetali,

le radici e le foglie delle annuali,

non hanno molto

in termini di resistenza connaturata,
contenimento e tolleranza.

Semplicemente non ne hanno bisogno.

Crescono nella stagione piovosa

e hanno un seme che le aiuta
a sopravvivere il resto dell'anno.

E quindi nonostante gli sforzi
in agricoltura

per creare colture con migliori proprietà

di resistenza, contenimento e tolleranza –

soprattutto di resistenza e contenimento

perché abbiamo avuto buoni modelli
per capire come funzionano –

ancora abbiamo immagini come questa.

Piante di mais in Africa,

due settimane senza pioggia

e sono morte.

C'è una soluzione:

le piante della resurrezione.

Queste piante possono perdere il 95%
della loro acqua cellulare,

rimanere in uno stato secco, simile alla
morte, da mesi ad anni,

e dandogli acqua,

rinverdiscono e ricominciano
a crescere.

Come i semi, sono
resistenti alla siccità.

Come i semi, possono sopportare
condizioni ambientali estreme.

Ed questo è un fenomeno molto raro.

Ci sono solo 135 specie di piante da
fioritura che possono farlo.

Vi voglio mostrare un video

del processo di resurrezione di queste
tre specie in quest'ordine.

E sul fondo

c'è un'asse del tempo in modo che
possiate vedere quanto velocemente accade.

(Applausi)

Straordinario, eh?

Ho passato gli ultimi 21 anni cercando
di capire come possano farlo.

Come possono queste piante
seccare senza morire?

Lavoro su una serie di piante
della resurrezione,

mostrate qui nello stato idratato e secco,

per una serie di ragioni.

Uno di questi è che ciascuna di queste
piante è utile come modello

per una coltivazione che vorrei
rendere resistente alla siccità.

Nell'angolo in alto a sinistra,
per esempio, c'è un'erba,

è chiamata Eragrostis nindensis,

ha un parente stretto chiamato
Eragostis tef –

molti di voi potrebbero conoscerla
come "teff" –

è un alimento principale in Etiopia,

è senza glutine,

ed è una pianta che ci piacerebbe
rendere resistente alla siccità.

L'altra ragione per osservare
un certo numero di piante,

è che, almeno all'inizio,

volevo capire:
fanno la stessa cosa?

Usano tutte lo stesso meccanismo

per essere capaci di perdere tutta
l'acqua senza morire?

Quindi ho intrapreso quello che chiamiamo
un approccio da "sistema biologico"

in modo da avere una
comprensione totale

della tolleranza alla siccità,

nel quale osserviamo tutto

dal molecolare all'ecofisiologia
dell'intera pianta.

Per esempio, osserviamo cose come
cambiamenti nell'anatomia della pianta

mentre si seccano,
e la loro ultrastruttura.

Osserviamo il transcrittoma, un
termine che indica una tecnologia

nella quale osserviamo i geni

che sono accesi o spenti,
in seguito all'essiccazione.

La maggior parte dei geni
codificano le proteine,

perciò osserviamo il proteoma.

Quali sono le proteine create
in risposta all'essiccazione?

Alcune proteine codificheranno
enzimi che creano metaboliti,

quindi osserviamo il metaboloma.

Ora, questo è importante perché
le piante sono attaccate al terreno.

Usano quello che io chiamo
un arsenale chimico super concentrato

per proteggersi da tutti
gli stress ambientali.

Quindi è importante studiare

i cambiamenti chimici
coinvolti nell'essicazione.

E nell'ultimo studio fatto
a livello molecolare,

guardiamo al lipidoma;

i lipidi cambiano in risposta
all'essiccazione.

E ciò è importante

perchè tutte le membrane biologiche
sono fatte di lipidi.

Sono utilizzati come membrane
perché sono immersi in acqua.

Togli l'acqua, e queste membrane
si sgretolano.

I lipidi inoltre fungono da segnali
per catalizzare i geni.

A questo punto usiamo studi
fisiologici e biochimici

per cercare di capire il ruolo
degli ipotetici protettori

che abbiamo scoperto
nei nostri altri studi.

Usiamo tutto ciò
per cercare di capire

come la pianta affronta
il suo ambiente naturale.

Ho sempre avuto l'idea che avessi
bisogno di una comprensione globale

del meccanismo della tolleranza
dell'essicazione

in modo da ricavarne una concreta proposta
per un'applicazione biotecnologica.

Sono sicura che alcuni di voi
stanno pensando

"Con l'applicazione biotica,

vuol dire che farà piante
geneticamente modificate?"

E la risposta alla domanda è:

dipende dalla tua definizione
di geneticamente modificato.

Tutte le colture che mangiamo,
grano,riso e mais

sono altamente geneticamente
modificate dai loro antenati

ma noi non li consideriamo GM

perché sono state prodotte
in maniera convenzionale.

Se intendete, metto geni
responsabili della resurrezione

all'interno di altre piante,

la vostra risposta sarà sì.

Nello spirito del tempo,
abbiamo provato questo approccio.

Detto in maniera migliore,
alcuni miei collaboratori all'UCT,

Jennifer Thomson, Suhali Rafudeen,

hanno testato in anteprima
questo approccio

e fra poco vi mostrerò alcuni dati.

Ma stiamo per intraprendere
un approccio estremamente ambizioso

nel quale cerchiamo di attivare
un intero set di geni

che sono già presenti in tutte le colture.

Non sono mai stati attivati
in condizioni di siccità estrema.

Lascio a voi decidere

se questi debbano essere chiamati GM o no.

Ora vi darò alcuni dati
ottenuti con quest'approccio.

E per fare ciò

devo spiegare un pochino
come funzionano i geni.

Probabilmente tutti sanno

che i geni sono fatti
di DNA a doppia elica.

È pressato molto strettamente
all'interno dei cromosomi

che sono presenti in tutte le cellule
del vostro corpo o di una pianta.

Se voi srotolate questo DNA,
otterrete i geni.

E ogni gene ha un promotore,

che è un solo interruttore,

la regione che codifica il gene,

e poi un termine,

che indica la fine del gene
e l'inizio del prossimo.

Ora, i promotori non sono
semplici interruttori.

Normalmente richiedono
molti ritocchi,

molte parti devono essere presenti e
corrette prima che il gene venga attivato.

Quindi ciò che si fa solitamente
negli studi biotecnologici

è di usare un promotore ad induzione,

sappiamo come accenderli.

Lo accoppiamo a geni che ci interessano

e lo mettiamo dentro ad una pianta
per vedere come risponde.

Nello studio di cui vi sto per parlare,

i miei collaboratori hanno usato
un promotore innescato dalla siccità

che abbiamo trovato in una
delle piante della risurrezione.

La cosa bella del promotore
è che noi non facciamo niente.

La pianta stessa sente la siccità.

E l'abbiamo usato per guidare
geni antiossidanti

da piante della risurrezione.

Perché geni antiossidanti?

Beh, tutti gli stress, e in particolare
quelli dovuti alla siccità,

portano alla formazione
di radicali liberi,

o specie reattive all'ossigeno

che provocano molti danni e
possono portare alla morte della pianta.

Ciò che fanno gli antiossidanti
è bloccare questi danni.

Qui ci sono alcuni dati di un ceppo
di mais che viene usato molto in Africa:

a sinistra della freccia
ci sono piante senza geni;

a destra,

piante con geni antiossidanti.

Dopo tre settimane senza annaffiarle,

quelle con i geni hanno fatto
molto meglio.

Ora la parte finale.

La mia ricerca ha mostrato
che c'è una forte somiglianza

nei meccanismi di tolleranza
al disseccamento

nei semi e nelle piante
della risurrezione.

Quindi io mi domando,

usano gli stessi geni?

O detto in altre parole,

le piante della resurrezione
usano geni, evoluti

nei semi per tollerare
il disseccamento,

nelle radici e nelle foglie?

Hanno cambiato scopo
a questi geni

nelle radici e nelle foglie
delle piante della risurrezione?

Ho risposto alla domanda,

come conseguenza di molte ricerche
svolte dal mio gruppo,

e grazie alla collaborazione con il gruppo
di Henk Hilhorst in Olanda,

Mel Oliver negli Stati Uniti

e Julia Buitink in Francia.

La risposta è sì,

c'è un nucleo di geni
che sono coinvolti in entrambi.

E vi voglio mostrare questo
nel mais,

dove il cromosoma sotto
il pulsante off

rappresenta tutti i geni necessari
per la tolleranza al disseccamento.

Così quando i semi del mais si seccano
alla fine del loro periodo di sviluppo,

attivano questi geni.

Le piante della risurrezione
attivano questi stessi geni

quando si seccano.

Tutte le moderne colture, perciò,

hanno questi geni nelle loro radici
e nelle foglie,

ma non li attivano mai.

Li attivano solamente
all'interno dei semi.

Quello che stiamo cercando di fare qui

è di capire i segnali
ambientali e cellulari

che attivano questi geni
nelle piante della risurrezione,

per imitare il processo
nelle altre colture.

Un'ultima cosa:

quello che stiamo cercando di fare
molto rapidamente

è di ripetere quello che la natura
ha fatto nell'evoluzione

delle piante della risurrezione

circa tra i 10 e i 40 milioni di anni fa

Le mie piante ed io vi ringraziamo
per la vostra attenzione.

(Applausi)