Hoe we gewassen kunnen laten overleven zonder water

Naarmate de wereldbevolking groeit en de effecten van klimaatverandering beter zichtbaar worden, moeten we meer mensen voeden met minder bewerkbaar land. Moleculair biologe Jill Farrant bestudeert een zeldzaam fenomeen dat zou kunnen helpen: 'oprichtingsplanten' -- enorm veerkrachtige planten die ogenschijnlijk uit de dood opstaan. Zouden zij oplossing kunnen bieden voor het verbouwen van voedsel op onze steeds warmere, drogere aarde?

Ik denk dat het geheim van het kweken
van zeer droogte-tolerant gewas

dat wellicht voor
voedselzekerheid kan zorgen,

in opstandingsplanten zit.

Die zie je hier in extreem droge toestand.

Je zou kunnen denken
dat deze planten dood zijn,

maar dat is niet zo.

Als je ze water geeft,

richten ze zich weer op
en gaan groeien binnen 12 tot 48 uur.

Waarom denk ik dat het kweken
van droogte-tolerant gewas

voedselzekerheid zou kunnen opleveren?

De wereldbevolking is zo'n 7 miljard.

Men voorspelt dat deze rond 2050

zo'n 9 tot 10 miljard is,

met de sterkste groei in Afrika.

De voedsel- en agrarische organisaties
hebben voorspeld

dat er 70 procent groei nodig is

van de huidige agrarische productie

om in die vraag te voorzien.

Planten staan aan de basis
van de voedselketen

dus zal het grootste aandeel
moeten komen van planten.

In die 70 procent
zijn de mogelijke gevolgen

van de klimaatverandering
nog niet opgenomen.

Dit komt uit een onderzoek door Dai,
gepubliceerd in 2011,

waarin hij alle mogelijke effecten
van klimaatverandering meenam,

zoals de toegenomen dorheid
door gebrek aan regen.

Deze rode plekken zijn gebieden

waar tot voor kort met succes
aan landbouw werd gedaan,

maar nu niet meer
vanwege gebrek aan regen.

Dit is de voorspelling voor 2050.

Een groot deel van Afrika,

in feite van de wereld, komt in gevaar.

We moeten slimme manieren bedenken
om voedsel te produceren.

Liefst ook met
droogte-tolerante gewassen.

Je moet ook onthouden over Afrika,

dat de meeste landbouw
er afhankelijk is van regen.

Droogte-tolerant gewas kweken
is niet zo makkelijk.

Dat komt door het water.

Water is van levensbelang op deze planeet.

Alle levende organismen met stofwisseling,

van microben tot jij en ik,

zijn voornamelijk samengesteld uit water.

Bij alle biologische processen
is water nodig.

Verlies van de minste hoeveelheid water
veroorzaakt de dood.

Jij en ik zijn voor 65 procent water --

een procent minder en we gaan dood.

We kunnen ons wel aanpassen
om dat te voorkomen.

Planten kunnen dat niet.

Ze zitten vast in de grond.

In eerste instantie hebben ze
iets meer water dan wij,

ongeveer 95 procent,

en ze kunnen iets meer verliezen dan wij,

zo'n 10 tot 70 procent,
afhankelijk van welke soort,

maar slechts korte tijd.

De meeste zullen proberen de droogte
te weerstaan of verlies te vermijden.

Extreme voorbeelden van zulke bikkels
vind je onder de vetplanten.

Ze zijn vaak klein en aantrekkelijk,

maar ze houden water zó goed vast

dat ze extreem langzaam groeien.

Het beperken van waterverlies
zie je bij sommige bomen en struiken.

Hun wortels groeien erg diep,

waar ze onderaards water vinden

en zich daarmee steeds blijven spoelen,

om zo vochtig te blijven.

Aan de rechterkant zie je de baobab.

Ook wel de onderstebovenboom genoemd,

omdat ze zoveel meer
wortels dan takken hebben,

dat het lijkt of de boom
omgekeerd is geplant.

De wortels zijn natuurlijk nodig
voor de watervoorziening.

De meestgebruikte strategie
tegen waterverlies vind je bij eenjarigen.

Eenjarigen maken het grootste deel uit
van ons plantaardige voedsel.

Aan de westkust van mijn land

zie je het grootste deel van het jaar
niet veel vegetatie.

Maar als de voorjaarsregen
komt, krijg je dit:

een bloeiende woestijn.

De strategie van eenjarigen

is dat ze alleen
in het regenseizoen groeien.

Aan het eind van dat seizoen
produceren ze zaad

dat droog is, acht tot tien procent water,

maar het leeft wel.

En alles wat zo droog is, maar wel leeft,

noemen we verdrogingstolerant.

In verdroogde toestand,

kunnen de zaden
in extreme omgevingen liggen

gedurende langere tijd.

Als het regenseizoen dan komt,

ontkiemen ze en groeien,

en start de hele kringloop opnieuw.

Het wordt algemeen verondersteld dat de
evolutie van verdrogingstolerante zaden

kolonisatie en verspreiding
mogelijk maakten

van bloeiende planten
of bedektzadigen op land.

Terug naar de eenjarigen,
als belangrijkste voedselleverancier.

Graan, rijst en mais vormen 95 procent
van ons plantaardige voedsel.

Het is een goede strategie

want in korte tijd
kan je veel zaad produceren.

Rijk aan energie,
dus met veel calorieën erin.

Je kan het opslaan bij overvloed
voor tijden met hongersnood,

maar er is een schaduwzijde.

De plantaardige weefsels,

wortels en bladeren van eenjarigen,

hebben maar weinig aangeboren weerstand-,
vermijdings- of tolerantie-eigenschappen.

Die hebben ze niet nodig.

Ze groeien in het regenseizoen

en ze hebben zaad
om de rest van het jaar te overleven.

Ondanks gezamenlijke pogingen
in de landbouw

om gewassen te kweken
met verbeterde eigenschappen

qua weerstand, vermijding
en tolerantie,

vooral weerstand en vermijding

omdat we goede modellen hebben
van de werking --

krijgen we nog steeds plaatjes als deze.

Mais in Afrika,

twee weken geen regen

en het is dood.

Er is een oplossing:

opstandingsplanten.

Deze planten kunnen 95 procent water
uit hun cellen verliezen,

maanden tot jaren in droge,
bijna-dode toestand leven.

Zodra ze water krijgen,

worden ze groen en gaan weer groeien.

Net als zaden zijn ze verdrogingstolerant.

Ze kunnen net als zaden
tegen extreme omstandigheden.

Dat is een erg zeldzaam fenomeen.

Er zijn maar 135 soorten
bloeiende planten die dat kunnen.

Ik laat je een filmpje zien

van het opstandingsproces
van deze drie soorten

in die volgorde.

Beneden staat een tijdas

zodat je kunt zien hoe snel het gebeurt.

(Applaus)

Wat bijzonder, hè?

In de afgelopen 21 jaar
heb ik geprobeerd dat te begrijpen.

Hoe drogen die planten uit
zonder dood te gaan?

Ik werk met allerlei soorten
opstandingsplanten,

hier in volgezogen en in droge toestand,

vanwege een aantal redenen.

Een ervan is dat elke plant
als model fungeert

voor een gewas dat ik
droogte-tolerant wil maken.

Linksboven zie je bijvoorbeeld
de grassoort Eragrostis nindensis.

Een verwante soort, Eragrostis tef,

kennen jullie misschien als 'teff'.

Het is een basisvoedsel in Ethiopië.

Het is glutenvrij,

en we willen het droogte-tolerant maken.

Een andere reden om
naar diverse planten te kijken

is dat ik, vooral aanvankelijk,
wilde uitzoeken of ze hetzelfde doen.

Gebruiken ze hetzelfde mechanisme

om bij dergelijk waterverlies
niet dood te gaan?

Ik gebruikte de systeembiologiebenadering

voor een goed begrip
van verdrogingstolerantie.

We bekeken alles van moleculen

tot de hele plant
op ecofysiologisch niveau.

We kijken naar veranderingen
in de anatomie

als hij verdroogt, en zijn ultrastructuur.

We kijken naar het transcriptoom,
een term voor een techniek

van genen bekijken
die aan- en uitgaan

als reactie op droogte.

De meeste genen coderen voor eiwitten.

Dus bekijken we het proteoom.

Welke eiwitten worden gemaakt
vanwege droogte?

Sommige eiwitten coderen voor enzymen
die metabolieten maken,

dus bekijken we het metaboloom.

Dat is belangrijk want planten
zitten vast in de grond.

Ze gebruiken een goed afgestemd
'scheikundig arsenaal'

om zichzelf te beschermen
tegen alle stress uit hun omgeving.

Het is belangrijk dat we kijken naar
de chemische veranderingen door droogte.

In het laatste onderzoek
op moleculair niveau,

bekijken we het lipidoom,

de lipide veranderingen door droogte.

Dat is ook belangrijk

want alle biologische membranen
zijn gemaakt van lipide.

Ze vormen membranen
omdat ze in water zitten.

Zonder water vallen
de membranen uit elkaar.

Lipiden fungeren ook als signalen
om genen aan te zetten.

We gebruiken ook fysiologie-
en biochemiestudies

om de functie van mogelijke
beschermers te begrijpen

die we hebben ontdekt in eerder onderzoek.

Hiermee proberen we te begrijpen

hoe planten omgaan
met hun natuurlijke omgeving.

Ik ben altijd van mening geweest
dat ik flink wat kennis nodig had

van de werking van verdrogingstolerantie

om daarmee een zinvol voorstel te doen
voor een bioptische toepassing.

Ik denk dat sommigen nu denken:

"Bedoelt ze daarmee dat ze
genetisch gemodificeerde gewassen wil?"

Het antwoord daarop is:

het hangt af van jouw definitie
van genetische modificatie.

Alle gewassen die we eten,
tarwe, grassen en mais,

zijn genetisch erg gemodificeerd
door hun voorouders,

maar dat vinden we geen ggo,

omdat ze traditioneel gekweekt zijn.

Als je bedoelt of ik
oprichtingsplantgenen in gewas stop,

dan is het antwoord ja.

In wezen hebben we dat gedaan.

Preciezer: sommige
van mijn collega's op de UCT

Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen,

leidden die aanpak

en ik zal zo wat gegevens laten zien.

Maar we staan op het punt om
een ambitieuze aanpak te beginnen,

waarin we hele rijen genen
willen aanzetten

die al in elk gewas zitten.

Ze zijn alleen nog nooit aangezet
in extreem droge omstandigheden.

Ik laat je zelf beslissen

of dat ggo moet heten of niet.

Ik geef je nu wat gegevens
van die eerste benadering.

Om dat te doen moet ik wat uitleggen

over de werking van genen.

Je weet waarschijnlijk

dat genen zijn gemaakt van gedraaid DNA.

Het is strak opgewonden als chromosomen

die in elke cel zitten
van mensen en planten.

Als je DNA ontrafelt, krijg je genen.

En elk gen heeft een promotor,

wat eigenlijk een aan/uitknop is,

het genencodeergebied

en een afsluiter die aangeeft

waar het einde van het gen is
en waar een nieuw gen begint.

Die promotors zijn niet
gewoon aan-uitknoppen.

Ze moeten meestal goed afgesteld worden.

Veel moet aanwezig en in orde zijn
voordat het gen aangaat.

In biotechnologie-onderzoek

gebruikt men doorgaans
een induceerbare promotor,

waarvan we weten hoe hij aan moet.

We koppelen dat aan belangrijke genen

en stoppen die in een plant
en kijken hoe die reageert.

Bij het onderzoek waarover
ik ga vertellen,

gebruikten mijn medewerkers
een door droogte ontstane promotor,

die we ontdekten in oprichtingsplanten.

Het mooie van die promotor is
dat we niets doen.

De plant voelt zelf de droogte.

Dat gebruikten we om antioxidant-genen
uit oprichtingsplanten te halen.

Waarom antioxidant-genen?

Alle soorten stress, vooral door droogte,

zorgen voor de aanmaak
van vrije radicalen,

of reactieve zuurstofverbindingen,

die veel kapot maken
en zelfs gewas kunnen doen afsterven.

Antioxidanten stoppen die beschadiging.

Hier zijn gegevens van een maisras
dat in Afrika populair is.

Links staan planten zonder de genen,

rechts planten mét de antioxidant-genen.

Na drie weken zonder watergeven,

doen die met de genen het een stuk beter.

Nu de laatste benadering.

Mijn onderzoek laat zien
dat er grote overeenkomst is

tussen verdrogingstolerantie-mechanismen
in zaden en in oprichtingsplanten.

Ik vroeg me dus af
of ze dezelfde genen gebruiken.

Of iets anders gezegd:

gebruiken oprichtingsplanten genen
voor zaadverdrogingstolerantie

in wortels en bladeren?

Passen zij deze zaadgenen toe

in wortels en bladeren
van oprichtingsplanten?

Ik beantwoordde die vraag

na veel onderzoek door mijn groep

en recente samenwerking met een club
van Henk Hilhorst in Nederland,

Mel Oliver in de VS

en Julia Buitink in Frankrijk.

Het antwoord is ja,

er is een aantal groepen genen
die bij beide betrokken zijn.

Ik zal dit schetsen
aan de hand van mais,

waarbij de chromosomen onder de uit-knop

alle genen vertegenwoordigen die
nodig zijn voor verdrogingstolerantie.

Dus als maiskorrels verdrogen
aan het eind van hun ontwikkeling,

zetten ze die genen aan.

Oprichtingsplanten
zetten dezelfde genen aan

als ze verdrogen.

Alle moderne gewassen

hebben die genen
in hun wortels en bladeren

maar ze zetten ze gewoon niet aan.

Ze zetten ze alleen aan in zaadweefsel.

Nu proberen we de omgevings-
en cel-signalen te begrijpen

die deze genen aanzetten
in oprichtingsplanten,

om dat proces na te bootsen in gewas.

Nog een gedachte tot besluit.

Wij proberen op korte termijn te herhalen

wat de natuur heeft gedaan
in de evolutie van oprichtingsplanten,

zo'n 10 tot 40 miljoen jaar geleden.

Mijn planten en ik
danken je voor je aandacht.

(Applaus)