Kako možemo učiniti da usevi prežive bez vode?

Kako svetsko stanovništvo raste i posledice klimatske promene dolaze u oštre promene, moraćemo da hranimo više ljudi koristeći manje obradivu zemlju. Molekularni biolog Džil Farant istražuje retki slučaj koji može biti od pomoći: "oživljene biljke" - super otporne biljke koji se vraćaju iz smrti. Da li one mogu održati obećanje za više hrane u dolazećem toplijem, suvom svetu?

Verujem da je tajna stvaranja useva
ekstremno otpornih na sušu,

koji bi na neki način
obezbedili hranu u svetu,

u oživljavanju biljaka,

ovde na slici, u ekstremnom stanju suše.

Možda mislite da ove biljke
izgledaju mrtve,

ali nisu.

Dajte im vodu,

i one će oživeti, pozeleneti,
počeće da rastu za 12 do 48 sati.

Zašto bih ja sad predložila

da proizvodnjom useva otpornih na sušu
možemo napredovati u sigurnosti hrane?

Pa, trenutni broj ljudi na svetu je
oko 7 milijardi.

I procenjuje se da će do 2050.

biti između 9 i 10 milijardi ljudi,

i većina rasta će se dogoditi u Africi.

Poljoprivredne i prehrambene
organizacije sveta

navode da nam je
potrebno povećanje za 70%

u trenutnoj praksi poljoprivrede

kako bi se ispunila ta potražnja.

Gledajući na to da su biljke
osnova lanca ishrane,

većina toga moraće da dođe od biljaka.

Tih 70%

ne uzima u razmatranje
potencijalne efekte klimatskih promena.

Ovo je preuzeto iz Dajevog istraživanja,
objavljenog 2011,

gde je uzeo u razmatranje

sve potencijalne efekte klimatskih promena

i između ostalog istakao je

povećanu sušu
zbog slabe kiše i retke kiše.

Delovi označeni crvenom bojom

delovi su koji do nedavno

bili uspešno korišćeni za poljoprivredu,

ali ne mogu više da se koriste
zbog slabe kiše.

Ovo je situacija koja je
predviđena u 2050.

Većina Afirike će biti, kao i većina sveta

u velikoj nevolji.

Moraćemo da smislimo pametne načine
za proizvodnju hrane.

A među njima bi bilo dobro da imamo
i neke useve otporne na sušu.

Druga stvar
koju moramo zapamtiti za Afriku

je da se većina njihove poljoprivrede
snabdeva kišom.

Stvaranje useva otpornih na sušu
nije najlakša stvar na svetu.

Razlog je voda.

Voda je glavna stvar
za život na ovoj planeti.

Svi živi organizmi
sa aktivnim metabolizmom

od mikroba do mene i vas,

sastoje se najviše od vode.

Sve životne reakcije se događaju u vodi.

gubitkom male količine vode,
rezultiraju smrću.

Ja i vi smo 65% sačinjeni od vode,

ukoliko izgubimo 1% toga, umiremo.

Ali možemo učiniti promene
ponašanja kako bi izbegli to.

To biljke ne mogu.

One ostaju u zemlji.

Kao prvi primer,
oni imaju više vode od nas,

oko 95% vode,

i mogu da izgube malo više od nas,

od 10 do 70 procenata,
u zavisnosti od vrsta,

ali samo u kratkim vremenskim periodima.

Večina njih će probati da pruža otpor
ili da izbegava gubitak vode.

Ekstremni primeri onih koji pružaju otpor
mogu se naći u sukulentima.

Inače su male, veoma atraktivne,

ali se drže njihove vode po svaku cenu,

da rastu jako sporo.

Primeri onih koji izbegavaju gubitak vode
mogu se pronaći u drveću i žbunju.

Oni šire veoma duboke korene,

prave podzemne zalihe vode

koja se rasipa po njima stalno,

i tako ostaju hidrirani.

Na desnoj strani je
drvo koje se naziva baobab,

takođe se naziva i naopako drvo,

zato što je deo od korenja do
izdanaka toliko veliki

da daje izlged kao da je drvo
naopako posađeno.

Naravno, koreni su potrebni za
hidrataciju te biljke.

I verovatno najčešća
strategija izbegavanja

je kod jednogodišnjih biljki.

Jednogodišnje biljke čine većinu
naših zaliha biljaka.

Na zapadnoj strani moje zemlje,

većinom godine ne možete videti mnogo
rasta vegetacije.

Ukoliko dođete za vreme prolećnih kiša,
dobićete ovo-

cvetanje pustinje.

Strategija kod jednogodišnjih biljki,

je da rastu samo kada je sezona kiše.

Na kraju te sezone,
one naprave seme,

koje je suvo, 8 do 10 procenata voda,

ali veoma živo.

I sve što je toliko suvo a i dalje živo,

nazivamo otpornim na isušivanje.

U isušenom stanju,

seme može da leži
u ekstremnim okruženjima

u produženom vremenskim periodima.

Sledeći put kada dođe sezona kiše,

one klijaju i rastu,

i čitav ciklus krene ispočetka.

Rašireno je verovanje da je evolucija
semenja otpornih na isušivanje

omogućila kolonizaciju i širenje

cvetajućih biljki ili angiosperma,
na zemlju.

Da se vratimo na jednogodišnje biljke,
koje su naše najveći zalihe hrane.

Pšenica, pirinač i kukuruz čine 95%
naših biljnih zaliha hrane.

I to je bila odlična strategija

zato što u kratkom vremenskom roku
možete proizvesti mnogo semenja.

Seme je puno energije,
zato tu ima mnogo kalorija,

možete je čuvati kad ste siti
i kad ste gladni,

ali ima i loša strana tome.

Biljna tkiva,

korenje i lišče jednogodišnjih biljki,

nemaju dobre

urođene karakteristike otpornosti,
izbegavanja ili tolerancije.

Jednostavno im nisu potrebne.

Rastu u sezoni kiše

i imaju seme koje im pomaže da prežive
kroz ostatak godine.

I uprkos mnogim pokušajima
u poljoprivredi

da se naprave usevi
sa poboljšanim svojstvima

otpornosti, izbegavanja i tolerancije,

posebno otpornosti i izbegavanja,

jer smo imali dobre modele
kako bi razumeli kako oni funkcionišu -

i dalje dobijamo slike poput ove.

Usevi kukuruza u Africi,

dve nedelje bez kiše

i nisu preživeli.

Postoji rešenje -

oživljene biljke.

Ove biljke mogu izgubiti
95% svoje ćelijske vode,

ostati u suvom, mrtvolikom stanju,
mesecima i godinama,

i dajte im vode,

one pozelene i počnu opet da rastu.

Kao i seme, one su otporne na isušivanje.

Kao seme, mogu izdržati
ekstremne vremenske uslove.

Ovo je zaista retka pojava.

Postoji samo 135 vrsta cvetajućih biljaka
koje ovo mogu da urade.

Pokazaću vam video

procesa oživljavanja ove tri vrste

u tom redu.

Na dnu,

stoji vremenska osa gde možete
videti koliko brzo se odvija.

(Aplauz)

Prilično neverovatno, zar ne?

Provela sam prethodnu 21 godinu
pokušavajući da shvatim kako ovo rade.

Kako se ove biljke isuše a da ne umru?

Ja radim na raznovrsnim
biljkama koje oživljavaju.

Ovde su pokazane u hidriranim
i sušenim stanjima,

iz različitih razloga.

Jedan je da svaka od ovih
biljaka služi kao model,

za usev koji bih volela da postane
otporan na sušu.

Skroz na levo, na primer,
je trava

naziva se Eragrostis nindensis,

ima bliskog rođaka zvanog Eragrostis tef

mnogi od vas možda je znaju kao "tef",

to je osnovna hrana u Etiopiji,

bez glutena,

i to je nešto što bi voleli na napravimo
tolerantnim na sušu.

Drugi razlog zašto gledamo brojne biljke

jeste da, barem u početku,

želela sam da saznam
da li rade istu stvar.

Da li sve koriste iste mehanizme

da bi mogli da izgube svu tu vodu
i da ne umru?

Zato sam izvršila kako mi nazivamo,
pristup sistemske biologije

kako bi dobila obimno shvatanje

otpornosti na sušu,

u kome bi gledali sve

od molekula do čitave biljke
na ekofiziološkom nivou.

Mi na primer gledamo stvari
kao što su

promene u anatomiji biljke kada umiru

i njihovu ultrastrukturu.

Gledamo na transkriptome,
što je samo izraz za tehnologiju

u kojoj gledamo gene

koji su uključeni ili ugašeni
kao reakcija na sušenje.

Mnogi geni će se promeniti zbog proteina,
zato gledamo na proteome.

U šta su se pretvorili proteini
pri reakciji umiranja?

Neki proteini se menjaju zbog enzima
koji stvaraju metabolite,

zato gledamo na metabolone.

Ovo je važno,
jer biljke ostaju u zemlji.

Oni koriste, kako ja nazivam
visoko podešen hemijski arsenal

kako bi se zaštitili
od svih uticaja okruženja.

Važno je da gledamo na

na hemijske reakcije pri sušenju.

kod poslednjeg istraživanja
na molekularnom nivou,

gledamo na lipidome,

lipidne promene u reakciji sa umiranjem.

I to je takođe važno

jer sve biološke membrane
su sačinjene od lipida.

One se drže kao membrane
zato što su u vodi.

Uzmite vodu i te membrane se raspadnu.

Lipidi se ponašaju kao signali
kako bi uključili gene.

Zatim koristimo fiziološka
i biohemijska istraživanja

da pokušamo da razumemo funkciju
pretpostavljene zaštite

koju smo zapravo otkrili
u drugim studijama.

I sve to da iskoristimo
kako bi pokušali da razumemo

kako biljka savladava
svoje prirodno okruženje.

Oduvek sam mislila da mi je trebalo
sveobuhvatno shvatanje

mehanizma otpornosti na sušu

kako bi imala značajan predlog
za biotičku primenu.

Sigurna sam da neki od vas misle:

"Pod biotičkom primenom,

da li ona misli
na genetski modifikovane useve?"

I odgovor na to je -

zavisi od vaše definicije
genetske modifikacije.

Sve useve koje jedemo danas,
pšenica, pirinač i kukuruz,

veoma su modifikovani
u odnosu na svoje pretke,

ali njih ne smatramo za GMO

zato što su oni proizvedeni
uobičajenim uzgojem.

Ako mislite da ću da stavim
gene oživljenih biljaka u useve,

onda je odgovor da.

U suštini, pokušali smo taj prilaz.

Preciznije, neki od mojih
saradnika na UCT-u,

Dženifer Tomson, Suhal Referdin,

su predvodili taj prilaz

i uskoro ću vam pokazati neke podatke.

Uskoro ćemo naići na izuzetno
ambiciozan prilaz,

u kom ciljamo da uključimo gomile gena,

koji su već prisutni u svakom usevu.

Nikad se nisu uključili
zbog uslova izuzetne suše.

Na vama je da odlučite

da se treba nazivati GMO ili ne.

Sada ću vam dati
samo neke podatke prvog prilaza.

I kako bih to uradila,

moram još malo da objasnim
kako geni funkcionišu.

Verovatno svi znate

da su geni sačinjeni od dvolančanog DNK.

Uvijen je veoma čvrto u hromozome

koji su pristuni u svakoj ćeliji
vašeg tela ili tela biljke.

Ako razmotate taj DNK, dobijate gene.

Svaki gen ima pokretač,

koji je samo prekidač,

deo kodiranja gena,

a onda i određivač

kojei pokazuje da je to kraj tog gena,
gde će sledeći gen početi.

Pokretači nisu samo prekidači.

Inače im treba puno podešavanja.

Dosta toga mora da bude prisutno i tačno
pre nego što se gen uključi.

Ono što se inače radi u
u biotehničkim istraživanjima,

jeste da se koristi
indukovani pokretač,

znamo kako da ga uključimo.

Nadovežemo to na gen koji nas zanima

i stavimo to u biljku kako bi videli
kako biljka reaguje.

I istraživanje o kom ću vam govoriti,

moji saradnici su koristili pokretač
koji oseti sušu,

koji smo otkrili u oživljenoj biljki.

Dobra stvar ovog pokretača
je što mi ništa ne radimo.

Sama biljka oseća sušu,

Mi smo to iskoristili da unesemo gene
antioksidante od oživljenih biljki.

Zašto geni antioksidanta?

Svi napori, pogotovu
napori vezani za sušu,

rezultira formacijom slobodnih korenja,

ili vrste reaktivnog kiseonika,

koji su veoma smrtnonosni i koji
dovode do umiranja useva.

Antioksidanti sprečavaju to umiranje.

Ovo su podaci soja kukuruza
koji se veoma koristi u Africi.

Levo od strelice su biljke bez gena,

desno,

biljke sa genom antioksidanta.

Posle tri nedelje bez zalivanja,

one sa genima su mnogo bolje prošle.

Konačan pristup,

moje istraživanje je pokazalo da postoji
velika sličnost

u mehanizmu otpornosti na sušu i
semenu oživljene biljke.

Zato postavljam ptianje,

da li oni koriste iste gene?

Ili drugačije postavljeno,

da li oživljene biljke koriste gene koji
su evoluirali u seme otporno na sušu

u njihovom korenju i listovima?

Da li su oni geni semena
zadali drugačije zadatke

u korenju i listovima
oživljenih biljki?

Kako bih odgovorila na to pitanje,

kao posledica mnogo istraživanja
moje grupe

i nedavnih saradnji grupe
Henka Hilhorsta iz Danske,

Mela Olivera iz SAD

i Julije Butink iz Francuske.

Odgovor je da,

postoji niz gena
koji su evoluirali za obe stvari.

Sada ću ilustrovati ovo veoma
grubo za kukurz,

kada hromozomi ispod prekidača
za isključivanje

predstavljaju sve gene koji su potrebni
za otpornost suše.

Kako se seme kukuruza osušilo
na kraju njihovog razvoja

uključili su ove gene.

Oživljene biljke su uključile
iste gene

kada su se osušili.

Svi savremeni usevi

imaju te gene u korenima i listovima,

samo ih nikad ne uključuju.

Uključuju ih samo za tkivo semena.

Šta mi sada pokušavamo jeste da

shvatimo signale okruženja i ćelija

koji uključe ove gene
kod oživljenih biljki,

kako bi replicirali kod useva.

I samo jos jedna misao,

ono što pokušavamo veoma brzo da uradimo,

jeste da ponovimo šta je priroda uradila
prilikom evolucije oživljenih biljki

pre neki 10 do 40 miliona godina.

Moje biljke i ja
vam se zahvaljujemo na pažnji.

(aplauz)