Cum putem face culturile să supravieţuiască fără apă

Pe măsură ce populaţia planetei creşte iar efectele schimbărilor climatice deteriorează relieful, va trebui să hrănim mai mulţi oameni folosind mai puţin teren arabil. Biologul molecular Jill Farrant studiază un fenomen rar care ar putea ajuta: „plante care învie" - plante super rezistente care par să se întoarcă din morţi. Pot ele deţine cheia cultivării hranei în lumea noastră ce devine mai caldă şi mai uscată?

Cred că secretul producerii
culturilor rezistente la seceta extremă,

care ar putea să confere
siguranţă alimentară lumii,

stă în plantele care învie,

prezentate aici, într-o stare
extrem de uscată.

Aţi crede că aceste plante par moarte,
dar nu sunt.

Daţi-le apă,

şi vor învia, vor înverzi, vor începe
să crească în 12 - 48 de ore.

De ce aş sugera

că producerea plantelor rezistente
la secetă va genera securitate alimentară?

Populaţia actuală a Pământului
e de aproape 7 miliarde.

Se estimează că până în 2050,

vom fi între 9 şi 10 miliarde de oameni,

majoritatea acestei creşteri
producându-se în Africa.

Organizaţia pentru
Alimentaţie şi Agricultură

a estimat că avem nevoie
de o creştere de 70%

a producţiei agricole actuale

ca să acoperim cererea.

Plantele fiind la baza
lanțului alimentar,

cea mai mare parte vine de la ele.

Procentul de 70% nu ține cont
de eventualele schimbări climatice.

E un extras dintr-un studiu DAI din 2011,

care a luat în considerare toate efectele
posibile ale schimbărilor climatice

și le exprimă, printre altele ca:

ariditate crescută cauzată
de lipsa ploilor sau de ploile rare.

Zonele roșii de aici

sunt zone care până de curând

au fost cultivate cu succes,

dar nu mai pot fi, din cauza
lipsei precipitațiilor.

Aceasta e situația
preconizată pentru 2050.

Mare parte a Africii, de fapt
mare parte a lumii, va avea probleme.

Va trebui să gândim procedee foarte
inteligente prin care să producem hrana

şi ar fi bine ca între ele să fie
câteva culturi rezistente la secetă.

Celălalt lucru de amintit despre Africa

e că majoritatea culturilor lor
depind de apa de ploaie.

Să faci culturi rezistente la secetă
nu e cel mai uşor lucru din lume.

Motivul e apa.

Apa e esenţială vieţii pe această planetă.

Toate organismele vii
cu metabolism activ,

de la microbi la voi şi la mine,

sunt compuse predominant din apă.

Toate reacţiile vieţii
se produc în apă.

Pierderea unei mici cantităţi
de apă, duce la moarte.

Noi avem 65 % apa;

pierdem 1% din asta, murim.

Dar ne putem adapta comportamental
ca să evităm asta.

Plantele nu pot.
Ele sunt fixate în pământ.

La început au mai multă apă decât noi,
– cam 95% apă –

şi pot pierde ceva mai mult decât noi,
– între 10 şi 70%, funcţie de specie –

dar numai pentru scurt timp.

Majoritatea vor încerca
să reziste sau să evite pierderea apei.

Exemple extreme de plante rezistente
sunt cele suculente.

Tind să fie mici, foarte atractive,

dar menţin apa cu efortuti atât de mari
încât cresc extrem de greu.

Exemple de evitare a pierderii apei
se găsesc la copaci şi arbuşti.

Îşi înfig foarte adânc rădăcinile,
extrag apă din rezervele subterane

şi o circulă prin ele continuu,
menţinându-se hidratate.

Cea din dreapta e un baobab,
numit și copacul răsturnat,

pentru că raportul dintre rădăcini
şi ramuri e atât de mare

încât copacul pare plantat
cu susul în jos.

Desigur rădăcinile sunt necesare
pentru hidratarea plantei.

Poate cea mai comună strategie de evitare
o găsim la plantele anuale.

Majoritatea hranei noastre vegetale
e formată din plante anuale.

Pe coasta de vest a ţării mele,

în majoritatea anului
nu prea creşte vegetaţia

dar când vin ploile de primăvară, avem:

înflorirea deşertului.

Strategia în cazul anualelor
e să se dezvolte în sezonul ploios.

La sfârşitul acelui sezon,
ele produc sămânţa,

care e uscată, 8 - 10% apă,
dar foarte vie.

Orice e atât de uscat, dar încă viu,
spunem că e rezistent la desicare.

În stare desicată seminţele rezistă
în condiţii extreme perioade lungi.

La următorul sezon ploios,
ele germinează şi cresc,

şi întregul ciclu începe din nou.

Mulţi cred că evoluţia seminţelor
rezistente la desicare

a făcut posibilă colonizarea
şi răspândirea plantelor care înfloresc

– a angiospermelor – pe uscat.

Înapoi la anuale, principala noastră formă
de rezervă de hrană.

Grâul, orezul şi porumbul
formează 95% din hrana noatră vegetală.

O strategie grozavă

pentru că poţi produce
multe seminţe în timp scurt.

Seminţele sunt bogate în energie,
multe calorii alimentare

pot fi stocate în vremuri de belşug
pentru perioadele de foamete,

dar au şi un dezavantaj:

țesutul vegetativ,
rădăcinile şi frunzele anualelor,

nu au rezistență ereditară sau adaptare
la evitarea sau tolerarea secetei.

Pur şi simplu nu au nevoie.

Se dezvoltă în sezonul ploios

şi au seminţe care le ajută
să supravieţuiască restul anului.

Astfel, în ciuda eforturilor
concertate în agricultură,

ca să se realizeze culturi
cu proprietăţi îmbunătăţite

privind rezistenţa, evitarea şi toleranţa-

mai ales rezistenţa şi evitarea,

pentru că am avut modele bune
ca să le înţelegem -

încă vedem imagini ca aceasta:

Cultură de porumb în Africa,

două săptămâni fără apă

şi e moartă.

Există o soluţie:

plante care învie.

Aceste plante pot să piardă 95%
din apa celulară,

să rămână într-un mediu uscat,
ca şi moarte, luni, până la ani

şi dă-le apă:

înverzesc şi încep să crească din nou.

Ca şi seminţele, acestea sunt
rezistente la uscare.

Ca şi seminţele, pot rezista
condiţiilor de mediu extreme.

Acesta e un fenomen foarte rar.

Sunt numai 135 de specii
de angiosperme ce pot face asta.

Vă voi arăta o filmare

a procesului de înviere
a acestor trei specii,

în această ordine.

În partea de jos,

e axa timpului, ca să vedeţi
cât de repede se întâmplă.

(Aplauze)

Uimitor, nu?

Mi-am petrecut ultimii 21 de ani
încercând să înţeleg cum fac ele asta.

Cum se usucă aceste plante fără să moară?

Am lucrat cu diverse plante care învie,

prezentate aici în stare uscată,

din mai multe motive.

Unul din ele e că fiecare
din aceste plante serveşte ca model

pentru o alta pe care
o vreau rezistentă la secetă.

În stânga sus, de exemplu, e o iarbă,

se numeşte Eragrostis nindensis,

are o rudă apropiată
numită Eragrostis tef -

mulţi s-ar putea să o ştiţi ca "teff"-

e hrană de bază în Etiopia,

nu conţine gluten,

şi am dori să o facem
rezistentă la secetă.

Celălalt motiv pentru
cercetarea unor plante,

e că, cel puţin iniţial,

am vrut să aflu:
fac ele acelaşi lucru?

Folosesc toate aceleaşi mecanisme

ca să poată pierde
atâta apă fără să moară?

Aşa că am încercat o abordare
numită biologie sistemică

pentru a înţelege în detaliu
toleranţa la desicare,

în care cercetăm tot de la nivel molecular
la întrega plantă, ecofiziologic.

De exemplu urmărim schimbările
din anatomia plantei în timpul uscării

şi ultrastructura lor.

Cercetăm transcriptomul,

– o tehnologie prin care studiem
dacă genele sunt activate sau nu,

ca urmare a uscării.

Majoritatea genelor codează proteine
aşa că cercetăm proteomul.

Ce proteine se produc
ca răspuns la uscare?

Unele proteine proteine vor coda enzime
care fac metaboliţi,

aşa că cercetăm metabolomul.

E important, pentru că
plantele sunt fixate în pământ.

Ele folosesc un arsenal chimic
foarte specializat

pentru a se proteja de toate
constrângerile mediului în care trăiesc.

E important să cercetăm

schimbările chimice
ce se produc la uscare.

În ultimul studiu pe care
l-am făcut la nivel molecular,

am cercetat lipidomul
– răspunsul lipidelor la uscare.

Acest lucru e important

pentru că toate membranele biologice
sunt făcute din lipide.

Formează membrane
pentru că sunt în apă.

Dacă iei apa, membranele se prăbuşesc.

Lipidele actionează şi ca semnale
pentru activarea genelor.

Apoi folosim studii
fiziologice şi biochimice

ca să încercăm să înţelegem
funcţiile presupuşilor protectori

pe care i-am descoperit în alte studii.

Folosind toate astea
încercăm să înţelegem

cum face faţă planta
mediului său natural.

Mereu am considerat
că trebuie să înţeleg în detaliu

mecanismele toleranţei la desicare

ca să fac o propunere pertinentă
de aplicaţie biotică.

Sunt sigură că unii gândiţi:

„Prin aplicaţie biotică,

vrea să spună că va crea
culturi modificate genetic?"

Răspunsul la această întrebare e:

depinde ce înţelegeţi
prin modificare genetică.

Toate culturile pe care le consumăm azi,
grâu, orez, porumb,

sunt foarte modificate genetic
faţă de strămoşii lor,

dar nu le considerăm
modificate genetic

pentru că sunt produse
prin înmulţire convenţională.

Dacă întrebarea e: voi pune gene
ale plantelor care învie în culturi?

Răspunsul e da.

Ca să câştigăm timp,
am încercat această abordare.

Mai precis, câţiva
colaboratori ai mei de la UCT,

Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen,

au deschis acest drum

şi vă voi arăta curând câteva rezultate.

Vrem să demarăm
o abordare foarte ambiţioasă,

în care dorim să activăm
pachete întregi de gene

care sunt deja prezente
în toate culturile.

Doar că nu au mai fost activate
în condiţii de secetă extremă.

Vă las pe voi să decideţi

daca asta e modificare genetică sau nu.

Acum vă voi prezenta câteva date
din acea primă abordare.

Pentru a face asta,

trebuie să explic puţin
cum funcţionează genele.

Probabil că ştiţi:

genele sunt formate
din spirale duble de ADN

împletite strâns în cromozomi

prezenți în fiecare celulă
a corpului nostru sau al plantelor.

Dacă desfăşori acel ADN, obţii gene.

Fiecare genă are un activator,

care e doar un
întrerupător pornit / oprit,

zona de codare a genei

şi apoi un terminator,

care indică sfârşitul genei,
și începe următoarea genă.

Promotorii nu sunt simple
întrerupătoare pornit / oprit.

În mod normal,
ei necesită multă calibrare,

multe lucruri trebuie să fie prezente şi
corecte, înainte ca gena să fie activată.

Ce se face uzual în studiile biotehnice

e că folosim un promotor inductibil,

pe care ştim cum să îl activăm.

Îl ataşăm genelor care ne interesează,

le punem într-o plantă
şi urmărim răspunsul acesteia.

În studiul despre care voi vorbi,

colegii mei au folosit
un promotor indus de secetă,

pe care l-am descoperit
într-o plantă care învie.

Interesant în cazul acestui promotor
e că noi nu facem nimic.

Planta simte seceta automat.

L-am folosit să stimulăm genele
antioxidante din plantele care învie.

De ce genele antioxidante?

Ei bine, toate solicitările,
în special seceta,

provoacă formarea radicalilor liberi,

sau specii reactive de oxigen,

care sunt foarte distructive
şi pot duce la moartea culturii.

Antioxidanţii opresc această distrugere.

Aici e un studiu privind un soi de porumb
care e foarte răspândit în Africa.

La stânga săgeţii
sunt plantele fără gene,

la dreapta,
plantele cu gene antioxidante.

După trei săptămâni fără apă,

cele cu genele o duc mult mai bine.

Acum, abordarea finală.

Cercetările mele au arătat
că există asemănări considerabile

între mecanismele de rezistenţă la uscare
ale seminţelor şi ale plantelor ce învie.

M-am întrebat dacă folosesc aceleași gene?

Adică: plantele care învie folosesc genele
toleranței la desicare ale semințelor

pentru rădăcini şi frunze? Le-au realocat
același efect în rădăcini și frunze?

Am găsit răspunsul în multiplele cercetări
efectuate de grupul meu,

şi o colaborare recentă cu grupul
lui Henk Hillhorst din Olanda,

cu Mel Oliver din Statele Unite
şi Julia Buitink din Franţa.

Răspunsul este da,

există un nucleu de gene
implicate în ambele cazuri.

Voi ilustra acest lucru
foarte simplist pentru porumb,

unde cromozomii de sub întrerupător

reprezintă toate genele necesare
pentru rezistenţa la desicare.

La sfârşitul perioadei de dezvoltare,
pe măsură ce se usucă,

seminţele de porumb activează aceste gene.

Plantele care învie activează
aceleaşi gene atunci când se usucă.

Așadar, toate culturile moderne
au aceste gene în rădăcini şi frunze,

doar că nu le activează niciodată.

Le activează doar în seminţe.

Acum încercăm să înţelegem
semnalele celulare şi din mediu

care activează aceste gene
în plantele care învie,

ca să reproducem procesul la culturi.

Ca un gând final:

ce încercăm noi să facem foarte rapid

e să repetăm ce a făcut natura
în evoluţia plantelor care învie,

acum cam 10 - 40 de milioane de ani.

Eu şi plantele mele vă mulţumim
pentru atenție.

(Aplauze)