Как обеспечить выживание растений без воды

Поскольку мировое население растёт, а последствия изменения климата приобретают всё более чёткие очертания, нам придётся кормить всё больше людей, используя всё меньше пахотных земель. Молекулярный биолог Джилл Фаррант изучает редкое явление, которое может помочь: «воскресающие растения» — сверхустойчивые растения, которые, кажется, восстают из мёртвых. Могут ли они дать надежду на продовольственное снабжение в нашем всё более жарком и сухом мире?

Я считаю, что секрет производства
чрезвычайно засухоустойчивых культур,

которые должны в некоторой мере
улучшить продовольственную безопасность,

заключается в воскресающих растениях,

которые показаны здесь в чрезвычайно
высохшем состоянии.

Вам может показаться,
что эти растения выглядят мёртвыми,

но это не так.

Дайте им воду,

и они воскреснут, зазеленеют
и начнут расти в течение 12–48 часов.

Почему я предполагаю,

что производство засухоустойчивых культур
укрепит продовольственную безопасность?

На сегодня население земного шара
составляет 7 миллиардов.

И по оценкам, к 2050 году

нас будет от 9 до 10 миллиардов,

причём основной рост
произойдёт в Африке.

Продовольственные и сельскохозяйственные
организации мира

предположили, что нам потребуется
70-процентный рост

текущей сельскохозяйственной практики,

чтобы удовлетворить этот спрос.

Поскольку растения —
это основа пищевой цепочки,

наибольший скачок должен
произойти за счёт растений.

Доля в 70%

не учитывает потенциальные последствия
изменения климата.

Эта цифра взята из исследования Даи,
опубликованного в 2011 году,

где он принял во внимание

все потенциальные последствия
изменения климата

и обозначил их;
среди прочих факторов —

возросшая засушливость из-за нехватки
дождя или редких осадков.

Регионы, выделенные красным, —

это регионы, до недавнего времени

весьма успешно использовавшиеся
для сельского хозяйства,

но теперь это уже невозможно
из-за недостатка осадков.

А это ситуация,
которую предсказывают к 2050 году.

Большая часть Африки,
а по сути, большая часть мира,

окажется в беде.

Мы должны придумать эффективные
способы производства продуктов питания.

И желательно, чтобы среди них были
некоторые засухоустойчивые культуры.

Нам также следует помнить,
что Африка —

это регион неорошаемого земледелия.

Выращивание засухоустойчивых культур
не самая простая в мире вещь.

И причиной этому является вода.

Вода необходима для жизни на этой планете.

Все живые организмы
с активным обменом веществ —

от микробов до нас с вами —

состоят преимущественно из воды.

Все необходимые для жизни реакции
происходят в воде.

И потеря небольшого количества воды
приводит к смерти.

Вы и я состоим на 65% из воды,

теряя 1%, мы умираем.

Но мы можем изменить своё поведение,
чтобы избежать этого,

а растения — нет.

Они привязаны к земле.

Прежде всего, в них содержится
немного больше воды, чем в нас, —

около 95%.

И они способны терять
немного больше, чем мы, —

от 10 до 70% в зависимости от вида,

но только на короткий период.

Большинство из них сделают попытку
сопротивляться или избежать потери воды.

Яркие примеры сопротивления
можно найти среди суккулентов.

Они, как правило, небольшие
и очень привлекательные,

но они удерживают свою воду
дорогой ценой —

они крайне медленно растут.

Примеры предотвращения потери воды
можно найти среди деревьев и кустарников.

Они пускают очень глубокие корни,

достигая подземных запасов воды,

и продолжают забирать её
через корни постоянно,

избегая обезвоживания.

Дерево справа называется баобаб.

Его также зовут «перевёрнутым» деревом,

поскольку размер корней по отношению
к надземной части столь велик,

что это выглядит, как будто дерево
посажено вверх ногами.

И, конечно, эти корни необходимы
для снабжения этого растения водой.

Пожалуй, самая распространённая стратегия
предотвращения встречается у однолетников.

Однолетники составляют основу
нашего растительного продовольствия.

На западном побережье моей страны

большую часть года
почти не видно роста растений.

Но с приходом весенних дождей
вы увидите это:

цветение пустыни.

Стратегия однолетних растений —

это рост только в сезон дождей.

В конце сезона они производят семена,

в которых лишь от 8 до 10% воды,

и они вполне жизнеспособны.

И всё, что продолжает жить
при таком содержании влаги,

мы называем засухоустойчивым.

В высушенном состоянии

семена могут находиться
в экстремальных условиях среды

в течение длительного времени.

С наступлением нового сезона дождей

они всходят и растут,

и весь цикл начинается снова.

Широко распространено мнение,
что эволюция засухоустойчивых семян

обеспечила колонизацию и распространение

на земле цветковых растений
или покрытосеменных.

Но вернёмся к однолетникам,
как к основной форме продовольствия.

Пшеница, рис и кукуруза обеспечивают 95%
нашего растительного продовольствия.

И это великолепная стратегия,

поскольку за короткое время
вы можете произвести много зерна.

Зерно богато энергией,
а это много пищевых калорий,

которые можно отложить во времена изобилия
до времён голода.

Но есть и обратная сторона.

Вегетативные ткани,

корни и листья однолетников

не обладают многими характеристиками

в том, что касается сопротивляемости,
предотвращения или устойчивости.

Они им просто не нужны.

Они растут в сезон дождей

и у них есть семена, помогающие
им выживать в остальное время года.

И несмотря на согласованные усилия
сельского хозяйства

создать растения с улучшенными свойствами

сопротивляемости, предотвращения
и выносливости —

особенно сопротивляемости
и предотвращения,

так как у нас есть хорошие модели,
объясняющие их работу, —

мы до сих пор получаем такие картинки.

Урожай кукурузы в Африке,

две недели без воды —

и растения мертвы.

Но есть решение:

воскресающие растения.

Эти растения могут потерять
95% своей клеточной жидкости,

оставаясь в сухом, полумёртвом состоянии
месяцы или годы,

но дайте им воды —

и они зазеленеют и начнут расти снова.

Как и семена, они засухоустойчивы.

Как и семена, они могут выдерживать
экстремальные условия окружающей среды.

И это действительно редкое явление.

Существует лишь 135 видов цветковых
растений, которые на это способны.

Я хочу показать вам видео

о процессе воскрешения этих трёх видов

в таком порядке.

В нижней части

временнáя ось, чтобы вы видели,
как быстро всё происходит.

(Аплодисменты)

Впечатляюще, правда?

Поэтому я провела 21 год,
пытаясь понять, как они это делают.

Как эти растения засыхают, не умирая?

И я работала с множеством
различных воскресающих растений,

показанных здесь полными влаги
и высохшими,

по ряду причин.

Одна из них в том, что каждое
из этих растений —

модель для культур, которые я хочу
сделать засухоустойчивыми.

Так, например, эта трава
в левом верхнем углу.

Её название Eragrostis nindensis,

и она в близком родстве
с Eragrostis tef —

многие из вас знают её как «теф» —

основной продукт питания в Эфиопии,

в ней нет глютена,

и это растение мы хотим
сделать засухоустойчивым.

Другая причина поиска
среди ряда растений —

то, что, по крайней мере, изначально

я хотела выяснить,
делают ли они то же самое?

Все ли они используют те же механизмы,

чтобы иметь возможность
потерять всю воду и не умереть?

И я применила так называемый
системный биологический подход,

чтобы получить полное представление

об устойчивости к высыханию,

которую мы ищем во всём,

от уровня молекул до уровня экофизиологии
растения в целом.

Например, мы смотрим,

как меняется строение растений
при их высыхании

и их ультраструктура.

Мы изучаем транскрипто́м —
это такая технология

исследования генов,

которые включаются или выключаются
в ответ на высыхание.

Многие гены несут информацию о белках,
поэтому мы изучаем протеом:

какие белки синтезируются
в случае высыхания?

Некоторые белки — ферменты,
создающие метаболиты,

поэтому мы изучаем метаболомику.

Это важно, поскольку
растения привязаны к земле.

Они используют то, что я называю
высокоточным химическим арсеналом,

для защиты себя от всех стрессов
окружающей среды.

Поэтому важно увидеть

химические изменения
в процессе высыхания.

А в исследовании
на молекулярном уровне

мы изучаем липидо́м —

изменение липидов в ответ на высыхание.

И это тоже важно,

потому что биологические мембраны
состоят из липидов.

Они остаются мембранами,
поскольку находятся в воде.

Заберите воду —
и эти мембраны разрушатся.

Липиды также действуют как сигналы
для активации генов.

И мы ведём физиологические
и биохимические исследования,

пытаясь понять функции
предполагаемых защитных средств,

которые мы фактически обнаружили
в ходе изучения.

А затем используем всё это,
чтобы понять,

как растения справляются
с их естественной средой.

Я всегда считала, что мне необходимо
исчерпывающее понимание

механизмов засухоустойчивости,

чтобы создать практические рекомендации
для биотического применения.

Я уверена, многие из вас думают:

«Под биотическим применением

она имеет ввиду создание
генномодифицированных растений?»

И ответ на этот вопрос такой:

это зависит от вашего определения
генной модификации.

Всё, что мы едим сегодня, —
пшеница, рис и кукуруза —

генетически сильно модифицированы
по сравнению с их предками,

но мы не считаем их ГМО,

потому что они производятся
методами обычной селекции.

Если имеется в виду, что я хочу внедрить
в культуры гены воскресающих растений,

то ответ — «да».

По сути, мы опробовали этот подход.

Точнее говоря, мои коллеги
из Кейптаунского университета —

Дженифер Томпсон и Сухель Рафудин —

стали инициаторами такого подхода,

и вскоре я покажу вам некоторые данные.

Но мы на пороге создания
весьма амбициозного метода,

в котором мы стремимся активировать
целые наборы генов,

уже существующих в каждом растении.

Они просто не включались
в экстремальных условиях засухи.

Я оставлю на ваше усмотрение решать,

должно ли это называться ГМО или нет.

Я просто хочу поделиться с вами
некоторыми данными первого подхода.

И чтобы сделать это,

я должна немного объяснить,
как работают гены.

Вы все, вероятно, знаете,

что гены состоят из двойной цепочки ДНК.

Она плотно скручена в хромосомы,

имеющиеся в каждой клетке вашего тела
или в организме растения.

Если вы развернёте ДНК, вы получите гены.

И каждый ген имеет промотор,

это такой переключатель
«включено-выключено»,

кодирующую последовательность

и терминатор,

который показывает, что этот ген
заканчивается и начинается новый.

Но промоторы — это не просто
переключатели.

Как правило, они требуют
тонкой настройки

и наличия подходящих условий,
прежде чем ген активируется.

Вот что обычно делается
в биотехнологических исследованиях:

мы берём индуцируемый промотор,

который знаем, как включить.

Мы соединяем его
с интересующими нас генами,

помещаем их в растение и смотрим,
как оно отреагирует.

В исследовании,
о котором я хочу вам рассказать,

мои коллеги применили
индуцируемый засухой промотор,

который мы обнаружили
в воскресающих растениях.

Самое замечательное в этом промоторе то,
что мы ничего не делаем.

Растение само определяет появление засухи.

Так мы управляем генами-антиоксидантами
воскресающих растений.

Почему гены-антиоксиданты?

Дело в том, что любой стресс,
а в особенности воздействие засухи,

приводит к образованию
свободных радикалов,

или активных форм кислорода,

которые очень разрушительны
и могут привести к смерти растения.

Антиоксиданты способны
предотвратить этот ущерб.

Вот ряд данных по сорту кукурузы,
который широко используется в Африке.

Слева от стрелки
находятся растения без генов,

а справа —

растения с генами-антиоксидантами.

Через три недели без полива

у растений с генами
дела идут намного лучше.

Теперь о финальном подходе.

Мои исследования показали
значительное сходство

механизмов засухоустойчивости
семян и воскресающих растений.

И я задаюсь вопросом:

используют ли они одни и те же гены?

Или, слегка перефразируя,

используют ли воскресающие растения гены,
развитые у засухоустойчивых семян,

в своих корнях и листьях?

Изменились ли задачи этих генов

в корнях и листьях
воскресающих растений?

И я ответила на этот вопрос

в результате множества исследований
моей группы

и недавнего сотрудничества с группой
Хэнка Хилорста из Нидерландов,

Мэла Оливера из Соединённых Штатов

и Джулии Байтинк из Франции.

Этот ответ — «да».

Есть ключевой набор генов,
присутствующих в обоих случаях.

Я хочу дать грубую иллюстрацию этого
на примере кукурузы,

где хромосомы в неактивном состоянии

располагают всеми генами,
необходимыми для засухоустойчивости.

Поэтому когда зёрна кукурузы высыхают
по завершении периода развития,

они включают эти гены.

Воскресающие растения
активируют эти гены

при наступлении засухи.

То есть все современные культуры

содержат эти гены в корнях и листьях,

просто они никогда их не включают.

Они активны только в тканях семян.

Сейчас мы пытаемся понять

сигналы среды и клеточные сигналы,

активирующие эти гены
в воскресающих растениях

для имитации этого процесса
у культурных растений.

И последняя мысль.

Мы пытаемся очень быстро повторить то,

что природа совершила
в ходе эволюции воскресающих растений

около 10–40 миллионов лет назад.

Мои растения и я
благодарим вас за внимание.

(Аплодисменты)