Kaip augalai gali išgyventi be vandens?

Augant žemės populiacijai, klimato kaitos efektai tampa vis aktualesne tema, mes turėsime išmaitinti daugiau žmonių naudodami mažiau žemės. Molekulinės biologijos mokslininkė Jill Farant studijuoja fenomeną, kuris gali padėti: „prisikeliantys augalai“ – atsparūs augalai, kurie tarsi grįžta iš numirusiųjų. Ar jie galėtų atnešti vilties, kad galėsime užsiauginti maisto karštesniame, sausesniame pasaulyje?

Aš tikiu, jog paslaptis, kaip užauginti
ekstremaliai sausrai atsparius augalus,

kurie užtikrintų maisto
išteklius visame pasaulyje,

slypi prisikeliančiuose augaluose,

pavaizduotuose čia, ekstremaliai
sausringoje valstijoje.

Galite manyti,
jog šie augalai yra negyvi,

bet taip nėra.

Duokite jiems vandens,

ir jie prisikels, sužydės, pradės
augti per 12-48 valandas.

Taigi, kodėl aš siūlyčiau

auginti sausrai atsparius augalus,
kurie užtikrintų maisto aprūpinimą?

Na, dabartinė žemės populiacija
yra apie 7 milijardai.

Spėjama, jog atėjus 2050 m.,

žemėje bus nuo 9 iki 10 milijardų žmonių,

su didžiausia šio augimo dalimi
vykstančia Afrikoje.

Pasaulio maisto ir žemdirbystės
organizacijos

pasiūlė, jog mum reikia
70 procentų padidėjimo

dabartinėje žemdirbystės praktikoje,
jog būtų

išpildyta paklausa.

Dėl to, kad augalai yra pagrindas
maisto grandinėje,

didžioji dalis to turės
atkeliauti iš augalų.

Dalis iš tų 70 procentų

nepaiso galimų poveikių, kuriuos
gali sukelti klimato kaita.

Tai paimta iš Dai studijų,
publikuotų 2011 m.,

kada jis atkreipė dėmesį

į visus potencialius klimato
kaitos poveikius

ir juos išreiškė –
be kitų dalykų –

padidėjęs sausumas dėl lietaus stokos
ar nelietingumo.

Čia rodomose raudonose zonose

yra vietos, kurios neseniai

buvo labai sėkmingai naudojamos
žemdirbystei,

tačiau jau yra nebenaudojamos
dėl lietaus stokos.

Tai yra situacija, kuri,
spėjama, įvyks 2050 m.

Dalis Afrikos
ir didelė dalis pasaulio

greitai bus didelėje bėdoje.

Turėsime sugalvoti labai gudrius būdus,
kaip užsiauginti maisto.

Ir tarp jų labiausiai norima
dalies sausrai atsparių augalų.

Kitas dalykas, atsimenant
Afriką yra,

kad didžioji dalis jų žemdirbystės
palaikoma lietumi.

Užauginti sausrai atsparius augalus
nėra pats lengviausias dalykas.

To priežastis – vanduo.

Vanduo yra būtinas gyvybei.

Visi gyvi, aktyūs organizmai,

nuo mikrobų iki manęs ir tavęs,

daugiausia yra sudaryti iš vandens.

Visos gyvybės reakcijos vyksta vandenyje.

Ir maža vandens netektis
gali reikšti mirtį.

Aš ir tu esame 65 procentai vandens –

prarasime tą 1 procentą – mirsime

Bet mūsų elgesys gali pakisti,
kad to išvengtume.

Augalai to negali.

Jie įstrigę žemėje.

Visų pirma, jie turi daugiau
vandens už mus,

apie 95 procentus vandens,

ir jie gali prarasti truputį
daugiau nei mes,

nuo 10 iki maždaug 70 procentų,
priklausomai nuo rūšies,

bet tik labai trumpai.

Dauguma bandys išvengti ar atsispirti
vandens praradimui.

Ryškiausi atsispiriančiųjų pavyzdžiai
gali būti randami sukulentuose.

Jie būna maži, labai patrauklūs,

bet saugo vandenį taip stipriai,
kad turi už tai atsipirkti

itin lėtais augimo tempais.

Vandens praradimo vengimas randamas
medžiuose ir krūmuose.

Jie išleidžia labai ilgas šaknis,

išgauna podirvio vandenį

ir visad naudojasi šiuo vandeniu,

palaiko savo drėgmę.

Medis dešinėje vadinamas baobabu.

Jis dar vadinamas apverstu-medžiu,

paprasčiausiai dėl to, kad proporcija
tarp šaknų ir šakų yra tokia didelė,

jog net atrodo, kad medis
pasodintas aukštyn kojomis.

Žinoma, šaknys yra reikalingos, jog
palaikytų augalui drėkinimą.

Tikriausiai pati dažniausia nepraradimo
strategija yra vienmečiuose augaluose.

Vienmečiai sudaro didelę dalį
mūsų augalinio maisto šaltinio.

Mano šalies vakarų pakrantėje

didelę metų dalį
nematome daug augančios žalumos.

Bet tik ateina pavasario lietus, matome

žydinčias dykumas.

Strategija vienmečiuose tokia,

kad jie auga tik lietingu sezonu.

To sezono pabaigoje
jie užaugina sėklas,

kurios yra sausos, 8-10 proc. vandens,

bet lygiai tiek pat gyvos.

Ir viską, kas yra tokie sausi ir
vis dar gyvi,

vadiname džiūvimą toleruojančiais.

Sausoje būsenoje

sėklos gali išlikti sunkiomis sąlygomis

ilgesnį laiko tarpsnį.

Kitą kartą atėjus lietaus sezonui,

jos sudygsta ir auga,

ir visas ciklas prasideda iš naujo.

Yra plačiai manoma, jog sausų sėklų
evoliucija atsakinga

už žydinčių augalų kolonizaciją,

arba už gaubtasėklių žydėjimą žemėje.

Bet grįžkime prie vienmečių,
kaip mūsų pagrindinio maisto šaltinio.

Kviečiai, ryžiai, kukurūzai sudaro 95
proc. visų augalinio maisto išteklių.

Ir tai buvo puiki strategija,

nes gana greitai galima užauginti
labai daug sėklų.

Sėklos yra turtingos energija,
todėl jos kaloringos,

galime jas kaupti, kai jų netrūksta,
arba bado metu,

bet yra blogoji pusė.

Augaliniai audiniai,

vienmečių šaknys ir lapai,

nepasižymi savybėmis,

kurios būdingos vandens praradimui,
atsparumui ar toleravimui.

Jiems to tiesiog nereikia.

Jie auga lietingu sezonu

ir jie turi sėklą, kuri padeda
išgyventi likusius metus.

Taigi nepaisant vieningų pastangų
žemdirbystėje

padaryti augalus atsparesniais

vandens praradimui, sausumo tolerancijai,

o ypač vandens praradimui,

nes mes turėjome modelius,
kurie padėjo suprast jų veikimą,

mes vis vien gauname tokius vaizdus.

Kukurūzų laukas Afrikoje,

dvi savaitės be lietaus

ir visa tai pražuvo.

Yra išeitis:

prisikeliantys augalai.

Pastarieji gali prarasti 95 proc.
savo ląstelinio vandens,

išlikti sausais, tarsi negyvose būsenose
mėnesius ar net metus,

o gavę vandens

jie sužaliuoja ir pradeda augti.

Kaip sėklos, jie yra džiūvimą
toleruojantys.

Kaip sėklos, jie gali ištverti gamtos
sunkumus.

Ir tai yra gana retas fenomenas.

Yra tik 135 žydinčių augalų rūšys,
kurios gali tai padaryti.

Parodysiu jums vaizdo įrašą,

kaip prisikelia šios trys skirtingos rūšys

tokia eile.

O apačioje

yra laiko ašis,
kad suprastumėt, kaip greit tai vyksta.

(Plojimai.)

Nuostabu, ar ne?

Taigi aš praleidau 21 metus
bandydama suprasti, kaip tai veikia.

Kaip jie išdžiūna nemirdami?

Ir aš dirbu su daugybe skirtingų
prisikeliančių augalų,

kaip matote, drėgnose
ir sausose būsenose,

dėl tam tikrų priežasčių.

Viena iš jų, kad kiekvienas augalas
veikia kaip modelis

augalui, kurį noriu padaryti
sausrą toleruojančiu.

Taigi viršuje, kairėje, pavyzdžiui,
yra žolė,

ji vadinama Eragrostis nindensis,

ji turi artimą giminaitį
Eragrostis tef –

daugeliui jūsų jis žinomas
kaip posmilgės –

tai pagrindinis maistas Etiopijoje,

jis yra be gliuteno,

ir tai yra kažkas, ką norime paversti
sausrą toleruojančiu.

Kita priežastis žiūrėti į
daugybę kitų augalų

yra, kad, bent iš pradžių,

norėjau sužinoti:
ar jie atlieka tą patį dalyką?

Ar naudojasi tais pačiais būdais,

kad galėtų prarasti visą
savo vandenį ir nemirtų?

Aš ėmiausi vadinamojo
sisteminės biologijos metodo,

kad turėtume visapusį supratimą

apie atsparumą džiūvimui,

kur mes žiūrime į viską,

nuo molekulės iki viso augalo,
ekofiziologinio lygio.

Pavyzdžiui, mes žiūrime į

augalų anatomijos pokyčius,
kai jie išdžiuvo

ir jų ultrastruktūrą.

Mes žiūrime į transkriptomą,
tai yra pavadinimas technologijų,

kuriose mes žiūrim į genus,

kurie yra įjungti arba ne,
reaguojant į džiūvimą.

Daugelis genų koduos baltymus,
todėl žiūrime į proteomą.

Kokie baltymai yra gaminami
reaguojant į džiūvimą?

Kai kurie baltymai koduoja fermentus,
kurie sudaro metabolitus,

todėl žiūrime į metabolomą.

Tai yra svarbu, nes augalai
yra įstrigę žemėje.

Jie naudojasi, ką aš vadinu,
gerai suderintu chemikalų arsenalu,

kad apsisaugotų nuo aplinkos sunkumų.

Taigi svarbu, kad žiūrėtume į

cheminius pokyčius augalui džiūnant.

Ir paskutiniame tyrime, atliekamame
molekulių lygyje,

mes žiūrime į lipidomą –

lipidų pokyčius, vykstančius džiūnant.

Tai irgi yra svarbu,

nes visos biologinės membranos
yra sudarytos iš lipidų.

Jie veikia kaip membranos,
nes jie yra vandenyje.

Atimk vandenį, tos membranos
sugriūna.

Lipidai irgi veikia kaip signalai,
kad įjungtų genus.

Tada mes naudojame fiziologines
ir biochemines studijas

bandydami suprasti
spėjamų apsaugotojų funkciją,

kurią atradome kituose
mūsų tyrimuose.

Ir naudoti visa tai bandant
suprasti,

kaip augalas geba susidoroti
su natūralia aplinka.

Aš visados maniau, jog
man reikia išsamaus džiūvimo

tolerancijos mechanizmo supratimo,

kad galėčiau sukurti sėkmingą pasiūlymą
biotiniam pritaikymui.

Daugelis iš jūsų dabar galvoja,

„biotinis pritaikymas, ar

tai reiškia, kad ji gamins genetiškai
modifikuotus augalus?“

Atsakymas į šį klausimą yra:

priklauso nuo „genetiškai modifikuotas“
apibrėžimo.

Visi augalai, kurios valgome,
kviečiai, žolės, kukurūzai

yra stipriai genetiškai modifikuoti
iš savo protėvių,

bet mes jų nelaikom GM,

nes jie yra gaminami paprastuoju
veisimu.

Ar aš ketinu įdėti prisikėlimo genus
į augalus?

Atsakymas yra taip.

Per visą savo laiką
bandėme ir šį metodą.

Tiksliau, kai kurie mano
kolegos iš Keiptauno universiteto,

Jennifer Thompson, Suhail Rafudeen,

vadovavo atliekant tą metodą.

Ir greit jum parodysiu duomenų.

Bet greitai mes pradėsime naują
labai ambicingą metodą,

kuriame mes tikimės įjungti
visus genų rinkinius,

kurie jau ir taip yra kiekviename
augale.

Jie tiesiog niekada neįjungti esant
žiaurioms sausros sąlygoms.

Palieku jums nuspręsti,

ar jie visgi vadintini GM ar ne.

Duosiu jums dalį duomenų
iš mūsų pirmojo metodo.

Ir kad juos suprastumėte,

turiu paaiškinti šiek tiek, kaip
veikia genai.

Taigi visi jūs turbūt žinote,

kad genai yra sudaryti iš DNR.

Jie susisukę tankiai į chromosomas,

kurios yra kiekvienoje ląstelėje,
mūsų ir augalo ląstelėse.

Jei išvyniosime DNR, gausime genus.

Ir kiekvienas genas turi propaguotoją,

kuris tiesiog yra įjungtas-išjungtas
mygtukas,

genų kodavimo zoną

ir tada terminatorių,

kuris pasako, kad tai yra geno pabaiga,
kitas genas prasideda čia.

Propaguotojai nėra paprasti
įjungtas-išjungas mygtukai.

Jie dažnai reikalauja daug
tikslaus derinimo,

daug reikalingų dalykų, prieš
įjungiant genui.

Taigi kas tipiškai atliekama
biotechnologijų studijose,

mes naudojame indukuojamą
propaguotoją,

mes žinome kaip jį įjungti.

Mes sukabiname juos į
dominančius genus

ir įdedame į augalus, stebime,
koks yra atsakas.

Tyrime, apie kurį jums pasakosiu,

kolegos naudojo sausrą
indukuojančius propaguotojus,

kuriuos mes radome
prisikeliančiuose augaluose.

Geroji šio propaguotojo dalis,
kad mums nereikia daryti nieko.

Augalas pats jaučia sausrą.

Ir mes naudojom tai, kad ištrauktume
antioksidantinius genus iš augalo.

Kodėl antioksidantiniai genai?

Na, visi sunkumai,
ypač sausros sunkumai,

sukelia laisvų radikalų kūrimąsi,

arba reaktingas deguonies atmainas,

kurios stipriai žaloja augalą,
ir dėl to jis gali mirti.

Antioksidantai sustabdo tą žalą.

Štai truputis duomenų iš kukurūzų
atmainos, kuri itin populiari Afrikoje.

Rodyklės kairėje yra augalai
be genų,

dešinėje –

augalai su antioksidantiniais genais.

Po trijų savaičių be vandens

tie su genais išliko daug
geriau, nei tie be genų.

Dabar paskutinis metodas.

Mano paieškos parodė, jog
yra aiškių mechanizmų

panašumų tarp džiūvimo tolerancijos
sėklose ir prisikeliančių augalų.

Taigi keliu klausimą,

ar jie naudoja tą patį geną?

Arba šiek tiek perfrazuotai,

ar prisikeliantys augalai naudoja genus,
kilusius iš sėklų džiūvimo tolerancijos,

savo lapuose ir šaknyse?

Ar jie skyrė naują darbą sėklų genams

prisikeliančių augalų lapuose ir šaknyse?

Aš atsakau,

kaip pasekmė mano grupės plačių tyrimų

ir bendradarbiavimu su Henko
Hihhorsto grupe Nyderlanduose,

Mel Oliver Jungtinėse Karalystėje

ir Julia Buitnik Prancūzijoje.

Atsakymas yra taip,

yra ryški grupė genų, kuri
atsakinga už abu.

Ir pailiustruosiu tai labai
grubiai kukurūzams,

kur chromosomos žemiau
išjungimo mygtuko

atstovauja visus genus, kurie reikalingi
džiūvimo tolerancijai.

Taigi, kai kukurūzų sėklos išdžiuvo
jų vystymosi pabaigoje,

jie įjungė šiuos genus.

Prisikeliantys augalai
įjungia tuos pačius genus,

kai jie išdžiūna.

Visi modernūs javai dėl to

turi šiuos genus savo
lapuose ir šaknyse,

tik jie niekada jų neįjungia.

Jie juos įjungia tik sėklų audiniuose.

Ką mes bandome padaryti dabar,

yra suprasti aplinkos ir
ląstelinius signalus,

kurie įjungia tuos genus
prisikeliančiuose augaluose,

kad atkurtų procesus augaluose.

Ir paskutinė mintis.

Ką mes bandome padaryti labai sparčiai,

yra atkartoti, ką gamta padarė per
evoliuciją prisikeliančiuose augaluose

prieš 10-40 milijonų metų.

Mano augalai ir aš dėkoju
už jūsų dėmesį.

(Plojimai.)