Jak sprawić, by zboża mogły przetrwać bez wody

Ponieważ liczba ludności na świecie rośnie, a skutki zmian klimatycznych będą się zaostrzać, będzie trzeba wykarmić więcej ludzi przy mniejszej powierzchni gruntów ornych.

Biolog molekularna Jill Farrant bada rzadkie zjawisko zachodzące w „roślinach rezurekcyjnych”, czyli zmartwychwstankach, które może nam pomóc. Rośliny rezurekcyjne są superodporne, są w stanie „powrócić z martwych”. Czyżby kryły sekret uprawy żywności w naszym coraz cieplejszym, bardziej suchym świecie?

Uważam, że sekret upraw,
mogących przetrwać skrajną suszę

i zwiększyć bezpieczeństwo
żywnościowe na świecie,

tkwi w roślinach rezurekcyjnych,

pokazanych tutaj w bardzo
wysuszonym stanie.

Na pierwszy rzut oka wyglądają na martwe,

lecz tak nie jest.

Podlejcie je, a odżyją
i zaczną rosnąć w ciągu 12-48 godzin.

Dlaczego uważam, że uprawa
roślin odpornych na suszę

zwiększy bezpieczeństwo żywnościowe?

Obecnie na Ziemi żyje około
7 miliardów ludzi.

Szacuje się, że do 2050 roku

będzie nas 9-10 miliardów,

z czego największy wzrost
nastąpi w Afryce.

Światowe organizacje
do spraw rolnictwa i żywności

sugerują, że potrzebny jest
70-procentowy wzrost

obecnych upraw,

by zaspokoić to zapotrzebowanie.

Ponieważ rośliny są podstawą
łańcucha pokarmowego,

większość tego wzrostu
musi pochodzić z roślin.

Ten model nie brał jednak pod uwagę

potencjalnych efektów zmian klimatycznych.

To mapa z badań Dai
przeprowadzonych 2011 roku.

Uwzględniono w nich wszystkie
potencjalne efekty zmian klimatu,

w tym między innymi zwiększoną suchość

spowodowaną brakiem
lub rzadkim występowaniem deszczu.

Czerwone obszary

to obszary rolne,

dotychczas bardzo wydajne,

które nie nadają się już pod uprawę
ze względu na brak opadów.

Takie są przewidywania na rok 2050.

Większość Afryki,
właściwie większość świata,

będzie mieć kłopot.

Trzeba będzie wymyślić
sprytne sposoby produkcji żywności.

Między innymi zboża
mogące przetrwać susze.

Należy też pamiętać,
że większość rolnictwa w Afryce

uzależniona jest od opadów.

Produkcja zbóż mogących
przetrwać suszę nie jest najprostsza.

Powodem jest woda.

Woda jest niezbędna
do życia na tej planecie.

Wszystkie żyjące,
metabolizujące organizmy,

od mikrobów po nas samych,

składają się głównie z wody.

Wszystkie reakcje życiowe
zachodzą w wodzie.

Utrata nawet niewielkiej ilości wody
kończy się śmiercią.

Ludzie składają się w 65% z wody.

Utrata jednego procenta oznacza śmierć.

By temu zapobiec,
możemy zmienić zachowanie.

Rośliny nie mogą.

Tkwią w ziemi.

Mają trochę więcej wody niż my,

około 95 procent,

i mogą jej trochę więcej stracić,

w zależności od gatunku
od 10 do 70 procent,

ale tylko na krótko.

Większość będzie się opierać
lub unikać strat wody.

Ekstremalny przykład to sukulenty.

Są zazwyczaj małe, bardzo atrakcyjne.

Zatrzymują wodę za wszelką cenę,
przez co wolno rosną.

Podobne przykłady obserwujemy
u drzew i krzewów.

Zapuszczają korzenie bardzo głęboko,

aby korzystać z podziemnych zapasów wody

i "opłukują się" nią cały czas,

by się dobrze nawodnić.

Drzewo po prawej to baobab.

Nazywane drzewem
rosnącym do góry nogami,

bo dysproporcja rozmiaru korzeni
i pędów jest tak duża,

że wygląda, jakby drzewo
zasadzono odwrotnie.

Oczywiście korzenie są niezbędne
do nawodnienia rośliny.

Najbardziej powszechną
strategię mają roślin jednoroczne.

Jednoroczne stanowią większość
naszego pożywienia roślinnego.

Na zachodnim wybrzeżu mojego kraju

przez większą część roku
nie widać roślinności.

Ale gdy nadchodzą wiosenne deszcze,

pustynia rozkwita.

Strategią roślin jednorocznych

jest wzrost tylko w porze deszczowej.

Pod jej koniec produkują nasiona,

suche, tylko 8 -10% zawartości wody,

ale bardzo żywe.

Wszystko, co jest tak suche i nadal żywe,

nazywamy suszoodpornym.

W stanie wysuszenia

nasiona mogą leżeć
w skrajnych warunkach

przez dłuższy czas.

Z nastaniem kolejnej pory deszczowej

kiełkują i rosną

i cały cykl zaczyna się od nowa.

Uważa się, że ewolucja
nasion suszoodpornych

pozwoliła na kolonizację
i rozprzestrzenienie się

roślin kwitnących czy okrytozalążkowych.

Wróćmy do jednorocznych,
głównego składnika naszej diety.

Pszenica, ryż i kukurydza to 95%
naszego pożywienia roślinnego.

Do niedawna była to świetna strategia,

bo w krótkim czasie
można wyprodukować dużo nasion.

Nasiona są bogate w energię,
więc pożywienie jest kaloryczne,

świetne do magazynowania na czas głodu.

Ale ma to też wady.

Tkanki roślinne, korzenie
i liście roślin jednorocznych

nie mają za wiele wrodzonej
wytrzymałości i odporności.

Po prostu tego nie potrzebują.

Rosną w porze deszczowej,

a ich nasiona umieją
przetrwać resztę roku.

Pomimo wspólnych wysiłków rolników,

by stworzyć rośliny

o większej wytrwałości i odporności,

zwłaszcza takich,

bo mamy wiele przykładów ich działania,

nadal dostajemy fotografie jak ta.

Uprawa kukurydzy w Afryce,

dwa tygodnie bez deszczu

i jest martwa.

Jest na to rada.

Rośliny rezurekcyjne.

Rośliny te mogą stracić
95% wody wewnątrzkomórkowej,

pozostawać w suchym, obumarłym stanie
przez miesiące a nawet lata,

a gdy dostaną wodę,

zaczynają rosnąć na nowo.

Podobnie jak nasiona,
są odporne na wysuszenie.

Jak nasiona, mogą wytrzymać
ekstremalne warunki.

To bardzo rzadki fenomen.

Tylko 135 kwitnących
gatunków roślin może to zrobić.

Pokażę wam wideo o procesie
rezurekcji tych trzech gatunków,

kolejno.

Na dole jest oś czasu,
więc widać szybkość wydarzeń.

(Brawa)

Niezwykłe, prawda?

Od 21 lat próbuję zrozumieć,
jak one to robią.

Jak wysychają, ale nie umierają?

Pracowałam z różnymi odmianami
roślin rezurekcyjnych,

pokazanych tu w nawodnionym
i wyschniętym stanie,

z wielu powodów.

Każda z tych roślin
służy jako model dla rośliny,

której chciałabym dać suszoodporność.

W górnym lewym rogu
mamy na przykład trawę,

nazywa się eragrostis nindensis,

blisko spokrewniona z miłką abisyńską,

może znacie ją jako "tef".

Jest podstawą wyżywienia w Etiopii.

Nie zawiera glutenu.

Chcielibyśmy, żeby była suszoodporna.

Kolejnym powodem do badania
większej liczby roślin

jest chęć sprawdzenia,
czy wszystkie zachowują się tak samo.

Czy wszystkie używają
tych samych mechanizmów,

które pozwalają tracić wodę i żyć.

Przyjęłam podejście systemowe,

aby całościowo zrozumieć

fenomen odporności na suszę.

Obserwujemy wszystko, od cząsteczek
po poziom ekofizjologiczny całej rośliny.

Patrzymy na zmiany zachodzące
w anatomii roślin podczas wysychania,

na ich ultrastruktrę.

Patrzymy na transkryptom.

To technika obserwacji genów,

które włączają się i wyłączają
w odpowiedzi na suszę.

Większość genów koduje białka,
więc protenom pokazuje,

które białka powstały
w procesie wysuszania.

Niektóre białka stworzą
enzymy metaboliczne,

patrzymy zatem również na metabolom.

To ważne, bo rośliny tkwią w ziemi

i mają bardzo wyczulony arsenał chemiczny

do ochrony przed wszelkimi
zagrożeniami z zewnątrz.

Trzeba więc zaobserwować

zmiany chemiczne
zachodzące przy wysuszaniu.

Ostatnim etapem jest badanie
na poziomie molekularnym.

Patrzymy na lipidom,

zmiany lipidowe
zachodzące podczas wysychania.

To również ważne,

bo wszystkie błony zbudowane są z lipidów.

Nie rozpadają się dzięki wodzie.

Zabieramy wodę, membrana się rozpadnie.

To lipidy wysyłają sygnał włączania genów.

Prowadzimy też badania
fizjologiczne i biochemiczne,

by zrozumieć funkcję
domniemanych mechanizmów ochronnych,

odkrytych w innych badaniach.

Wszystko razem wykorzystujemy,

by zrozumieć, jak roślina
reaguje na środowisko naturalne.

Zawsze staram się podchodzić całościowo

do poznawania zjawiska
odporności na wysychanie,

żeby móc zaproponować wartościowe
zastosowanie biotechnologiczne.

Wielu z was teraz myśli,
że biotechnologiczna aplikacja

oznacza zboża modyfikowane genetycznie.

Zależy jaką definicję GMO przyjąć.

Wszystkie spożywane dzisiaj zboża,
pszenica, ryż, kukurydza,

są wysoce zmodyfikowane genetycznie
w porównaniu ze swoimi przodkami.

Nie uważamy ich jednak za GMO,

ponieważ pochodzą
z upraw konwencjonalnych.

Jeśli myślicie, że chcę umieścić geny
rezurekcyjne w uprawach zbóż

odpowiedź brzmi: tak.

Ponieważ czas nagli,
już tego spróbowaliśmy.

A dokładniej, moi współpracownicy z UCT,

Jennifer Thomson i Suhail Rafudeen,

byli tu pionierami.

Wkrótce przedstawię wam dane.

Niebawem mamy zamiar
zrealizować bardzo ambitny plan.

Zamierzamy włączyć cały pakiet genów,

już obecnych w zbożach,

a które nie aktywowały się jeszcze
w warunkach ekstremalnej suszy.

Opinię, czy nazywać to GMO
czy nie, pozostawiam wam.

Przedstawię teraz dane z pierwszych badań.

Dla ułatwienia

opowiem krótko, jak działają geny.

Zapewne wszyscy wiedzą,

że geny składają się z ciasno skręconej

podwójnej helisy, tworzącej chromosomy,

które znajdują się w komórkach
każdego ciała, również u roślin.

Gdy rozwinąć helisę, otrzymujemy geny.

Każdy gen posiada promotor,

genetyczny włącznik,

region kodujący,

oraz terminator, który określa,

gdzie jeden gen się kończy,
a drugi zaczyna.

Promotor to nie taki zwykły włącznik,

zazwyczaj wymaga precyzyjnego strojenia

i spełnienia mnóstwa warunków,
żeby nastąpiło włączenie genu.

Zazwyczaj w trakcie
badań biotechnologicznych

używa się promotora indukcyjnego,

wiemy, jak go włączyć.

Łączymy go z interesującymi nas genami

i instalujemy w roślinie,
czekając, jak zareaguje.

W badaniu, o którym mowa,

moi współpracownicy użyli promotora
aktywowanego podczas suszy,

odkrytego w roślinie rezurekcyjnej.

Co wygodne, ten promotor
nie wymaga naszej ingerencji,

roślina sama wykrywa suszę.

Tak wprowadziliśmy do roślin geny
przeciwutleniaczy z roślin rezurekcyjnych.

Dlaczego właśnie te?

Ponieważ wszystkie czynniki szkodliwe,
w szczególności susza,

powodują powstawanie wolnych rodników,

reaktywnych form tlenu,

które są bardzo szkodliwe,
mogą powodować obumieranie.

Przeciwutleniacze zatrzymują te procesy.

Oto wyniki badań gatunku
kukurydzy popularnego w Afryce.

Z lewej mamy rośliny
bez aktywowanych genów,

z prawej z aktywowanymi genami.

Po trzech tygodniach bez podlewania

te z aktywowanymi genami
są w dużo lepszym stanie.

Idźmy dalej.

Moje badania wskazują
na znaczące podobieństwo

między szuszoodpornymi nasionami
a roślinami rezurekcyjnymi.

Powstaje zatem pytanie:

czy używają tych samych genów?

Lub, ujmując to trochę inaczej:

czy rośliny rezurekcyjne

używają genów rozwiniętych
dla suszoodpornych nasion

w korzeniach i liściach?

Czy geny nasion posłużyły

do modyfikacji korzeni i liści
roślin rezurekcyjnych?

Odpowiedź na to pytanie,

zgodnie z wynikiem badań mojego zespołu

i ostatniej współpracy z zespołem
Henka Hilhorsta z Holandii,

Mela Olivera z USA

i Julii Buitink z Francji,

brzmi: tak.

Jest cały pakiet genów
biorących udział w obu procesach.

Przedstawię to pobieżnie
na przykładzie kukurydzy,

gdzie chromosom poniżej wyłącznika

reprezentuje wszystkie geny
odpowiadające za odporność na suszę.

Kiedy nasiona kukurydzy wysychały
pod koniec okresu wzrostu,

uruchomiły te geny.

Rośliny rezurekcyjne
uruchamiają te same geny

w czasie suszy.

Wszystkie współczesne zboża

mają te geny w korzeniach i liściach,

ale nigdy ich nie włączają.

Włączają je tylko w tkankach nasion.

Właśnie staramy się

zrozumieć środowiskowe
i komórkowe sygnały,

które uruchamiają te geny
u roślin rezurekcyjnych,

żeby odwzorować ten proces w zbożach.

I ostatnia myśl.

Próbujemy szybko powtórzyć to,

czego w procesie ewolucji
roślin rezurekcyjnych

natura dokonała jakieś
10 do 40 milionów lat.

Wspólnie z roślinami dziękujemy za uwagę.

(Brawa)