Як допомогти зерновим культурам вижити без води

Позаяк кількість населення у світі зростає і наслідки кліматичних змін стають усе яснішими, нам доведеться годувати більше людей, використовуючи менше орних земель. Молекулярний біолог Джилл Фаррант досліджує рідкісний феномен, який може допомогти, а саме "рослини, здатні до відновлення" - неймовірно стійкі рослини, які наче ожили. Можливо, саме вони дадуть змогу вирощувати їжу в середовищі, де клімат стає щораз гарячішим і сухішим?

Вірю, що секрет вирощування
посухостійких врожаїв,

які гарантують світову харчову безпеку,

полягає у рослинах-ефемерах,

зображених тут, у дуже висохлому стані.

Можна припустити, що ці рослини мертві,

але це не так.

Дайте їм води,

й вони оживуть і виростуть за 12-48 годин.

Отже, чому я припускаю,

що посухостійкі культури
гарантують харчову безпеку?

Населення планети сягає нині 7 мільярдів.

І вважається, що до 2050 року

населення досягне 9 - 10 мільярдів,

причому зростатиме воно
здебільшого в Африці.

Продовольчі й сільськогосподарські
організації

пропонують на 70 відсотків збільшити

обсяг поточного сільського господарства,

щоб задовольнити цей попит.

Позаяк рослини є основою
харчового ланцюга,

ця цифра стосується,
здебільшого, їх.

Ці 70 відсотків

не беруть до уваги впливу змін у кліматі.

Це взято з дослідження Дай 2011 року,

де проаналізовано

всі можливі наслідки кліматичних змін

і зазначено - серед інших причин -

підвищену посуха через бездощів'я.

Територія, позначена червоним кольором,

це області, які останнім часом

успішно задіювало сільське господарство,

та тепер це неможливо через бездощів'я.

Це передбачення на 2050 рік.

Більша частина Африки і всієї планети

опиниться у біді.

Нам слід замислитись над новими
способами виробництва харчів.

І, бажано, над посухостійкими культурами.

Щодо Африки, ми також маємо пам'ятати, що

більшість її агрокультур напоєні дощами.

Вирощувати посухостійкі рослини складно.

І причиною цього є вода.

Вода необхідна для життя на планеті.

Всі живі метаболічні організми,

від мікробів до нас із вами,

складаються в основному з води.

Усі життєві реакції відбуваються у воді.

Втрата певної кількості води - смертельна.

Ви і я - це 65 відсотків води -

втрачаємо 1 процент - і помираємо.

Але ми можемо змінити поведінку
й цього уникнути.

Рослини цього уникнути не можуть.

Вони ростуть у землі, й таким чином

спершу мають трохи більше води, ніж ми,

близько 95 відсотків води,

і можуть втрачати
дещо більше, ніж ми:

від 10 до 70 процентів, залежно від виду,

але тільки на короткі періоди.

Більшість з них уникають втрати води.

Найкращим прикладом є сукуленти.

Вони переважно маленькі й дуже привабливі,

але затримують воду великою ціною,

бо ростуть надзвичайно повільно.

Прикладами є дерева і чагарники.

Вони вкорінюються дуже глибоко,

забирають підгрунтові запаси води і

наповнюють нею себе у потрібний час,

підтримуючи гідробаланс.

Рослина праворуч називається баобаб.

Її також називають рослиною догори-дригом,

бо непропорційність коренів і паростків

справляє враження перевернутого дерева.

Звісно, для того, щоб рослина добувала воду,
потрібні корені.

Найпоширеніша стратегія - в однорічних рослин.

Однорічні є основою нашого харчування.

Від західного кордону моєї країни

упродовж року вегетація є незначною.

Але приходять весняні дощі, і маємо:

квітучу пустелю.

Стратегія однорічних полягає у тому,

щоб рости лише у дощову пору року.

У кінці цієї пори року утворюється насіння

з вмістом від 8 до 10 відсотків води,

сухе, але дуже живе.

А все, що cухе й живе,

є терпимим до висихання.

У висушеному стані насіння

може зберігатися в екстремальних умовах

протягом тривалих проміжків часу.

Коли настає наступна дощова пора,

воно проростає і росте,

і весь цикл розпочинається знову.

Вважають, що еволюція насіння, яке стійке

до висихання, призвело до розповсюдження

квітучих рослин, або ангіосперм на Землі.

Повертаємось до однорічних
як нашого основного харчового продукту.

Пшениця, рис, кукурудза -
це 95% наших харчів.

Їхня стратегія чудова, тому що за

короткий проміжок виростає багато насіння.

Насіння - енергетично насичене і калорійне.

Велику його кількість можна зберігати для

голодних часів, але у цьому є недолік.

Вегетативні тканини,

коріння і листя однорічних рослин

не характеризуються значною

резистентністю чи стійкістю.

Вони їх просто не потребують.

Вони ростуть у дощову пору і

мають насіння, щоб вижити до кінця року.

Отже, попри наполегливі спроби,

виростити врожай з покращеними
властивостями -

резистентністю, уникненням, стійкістю -

надто резистентністю і стійкістю, бо

ми мали хороші зразки й добре вивчили ці ознаки -

ми все ще отримуємо такі приклади.

Кукурудза, яка росте в Африці:
якщо протягом

двох тижнів немає дощу,

вона гине.

Однак існує рішення:

це - рослини, які відновлюються,
або ж ефемери.

Вони можуть втрачати 95% клітинної води,

залишатись у сухому, мертвоподібному стані

місяцями, але варто дати їм воду -
й вони зазеленіють

і знову почнуть рости.

Як і насіння, вони терпимі до висихання.

Вони протистоять екстремальній погоді.

І це насправді - рідкісний феномен.

Тільки 135 видів квітучих рослин
здатні на таке.

Я покажу вам відео процесу відтворення

цих трьох видів

у такому порядку.

А внизу є вісь часу, яка

показує швидкість того, що відбувається.

(Оплески)

Неймовірно, чи не так? Отже, я провела

21 рік, розмірковуючи, як це відбувається.

Як ці рослини сохнуть, не помираючи?

І я працюю над різновидами,
що відновлюються -

тут вони показані в зволоженому
й сухому станах -

через низку причин.
Одна з них - це те, що

кожна з цих рослин слугує зразком для

врожаю, який я хочу зробити посухостійким.

У верхньому лівому куті,
наприклад, є трава.

Вона називається Eragrostis nindensis.

Її найближчий родич - це Eragrostis tef -

або ж знаний декому з вас "теф" -

основний продукт харчування в Ефіопії,

він не містить клейковини, і саме таким ми

хочемо зробити посухостійкі рослини.

Ще одна причина розглядати ряд рослин - це

моє бажання принаймні

зрозуміти, чи вони поводяться однаково?

Чи всі вони застосовують
однаковий механізм,

щоб зберегти життя, втративши воду?

Я застосувала так званий
системний біологічний

підхід, щоб зрозуміти, що таке

стійкість до висихання
- згідно з ним,

ми розглядаємо все -
від молекули до цілої рослини

на екофізіологічному рівні.

Наприклад, ми розглядаємо зміни

в анатомії рослини, що висохла,

а також її ультраструктуру.

Дивимось на транскриптому -
це лише термін, який позначає

технологію, за якою ми
аналізуємо, які гени

активуються, а які ні
у відповідь на посуху.

Більшість генів кодують білок,
тому ми дивимось на протеом.

Які білки утворюються у відповідь на посуху?

Деякі утворюють ензими, а вони - метаболіти,

отже, ми дивимось на метаболому.

Це важливо, бо рослини ростуть у землі.

Вони використовують досконало підібраний
хімічний арсенал,

щоб захиститись від навколишніх стресів.

А отже, важливо розглядати усі

хімічні зміни, задіяні у засиханні рослин.

В останньому дослідженні на молекулярному

рівні ми розглядаємо ліпідому -

ліпідні зміни у відповідь
на процес засихання.

І це також важливо, бо усі біологічні

мембрани утворюються з ліпідів.

Вони утримують форму мембрани,
бо перебувають у воді.

Заберіть воду, і вони розпадуться.

Ліпіди також є сигналами
для активації генів.

Крім того, ми застосовуємо фізіологію і

біохімію, щоб зрозуміти функцію
захисних речовин,

яких ми виявили в інших дослідах.

А далі використовуємо усе це,
щоб зрозуміти

як рослина існує в довкіллі.

Я завжди хотіла
повністю зрозуміти

механізми, що протидіють висиханню,

щоб запропонувати практичне
використання біотиків.

Я впевнена, дехто думає, чи кажучи

"практичне використання біотиків",
я маю намір

створити генетично модифіковані рослини?

І відповідь на це запитання така:
усе залежить

від того, як ви розумієте генетичну модифікацію.

Усі культури, що ми їмо -
пшениця, рис, маїс -

віддавна є генетично модифікованими,

але ми не вважаємо їх ГМ, тому що їх

вирощують традиційним способом.

Якщо ви думаєте, що я занесу гени
рослини, здатної до відновлення,

у злакові культури, тоді відповідь
на ваше запитання - "так".

Часом ми застосовували цей підхід.

Деякі мої колеги з Університету
Кейптауна -

Дженніфер Томсон, Сагейл Рафудін -

застосовували цей підхід,

і невдовзі я покажу вам деякі результати.

Ти ми збираємось розпочати
амбітний проект,

у якому плануємо задіяти
всі найкращі гени,

які вже містяться у кожній культурі.

Їх ще ніколи не активовували
в екстремальних умовах посухи.

Називати їх ГМ чи ні -
вирішувати вам.

А зараз я просто покажу вам дані з

цієї першої спроби.

А щоби це зробити, я повинна пояснити

дещо про роботу генів.

Напевно усім вам відомо,
що гени складаються

з двоспіральної ДНК.

Вона дуже щільно переплетена
з хромосомами, які

знаходяться в кожній клітині тіла
людини чи рослини.

Розкрутивши ДНК, отримуємо гени.

А кожний ген має промотор,

двопозиційний перемикач,

що кодує область гена,

а також термінатор, який вказує,
що це кінець

цього гена і далі починається наступний.

Промотори - не звичайні вмикачі-вимикачі.

Вони вимагають налаштування
і наявності багатьох

компонентів, перш ніж ген буде активовано.

У біотехнології зазвичай

використовують індукований промотор,

і ми знаємо, як його активувати.

Ми поєднуємо гени, які нас цікавлять,

поміщаємо їх у рослину і дивимось на реакції.

У дослідженні, про яке я хочу розповісти,

мої колеги взяли промотор, активований

посухою, що його виявили у відновленій рослині.

Хорошою ознакою цього промотера є те, що

ми нічого не робимо.
Рослина сама відчуває посуху.

А ми вилучаємо антиоксидантні гени

з відновлених рослин.
Чому антиоксидантні гени?

Усі стреси, особливо посуха, призводять до

формування вільних радикалів,

або ж активних кисневих форм,
які дуже шкідливі

і можуть призвести до загибелі рослини.

А антиоксиданти зупиняють цей процес.

Ось деякі дані про кукурудзу, широко

розповсюджену в Африці.
Ліворуч від стрілки

бачимо рослини без генів, а праворуч -

рослини з антиоксидантними генами.

Їх не підливали три тижні -

і вони прекрасно почуваються.

Тепер про останній підхід.
Моє дослідження

показало, що механізми
стійкості до висихання

в насіння й рослин-ефемерів дуже схожі.

Тож я запитую,

чи вони використовують
одні й ті самі гени?

Або трохи перефразую:

чи рослини-ефемери використовують гени,
які запобігають

всиханню кореня й листя рослин?

Чи вони змінили завдання для цих генів у

коренях і листі рослини, здатної
відновитися?

І я готова відповісти на це запитання

після багатьох досліджень моєї групи і

останніх праць групи Генка Гілгорста з

Нідерландів, Мел Олівер зі США

іДжулії Буйтінк з Франції.

Так, існує базовий набір

генів, які залучені в обох процесах.

Я проілюструю це на прикладі кукурудзи,

де хромосоми нижче вимикача

представляють усі гени, необхідні для

того, щоб пережити посуху.
Оскільки насіння маїсу

висохло наприінці періоду свого розвитку,

воно вмикає ці гени.
Рослини, здатні до відновлення, вмикають

ті самі гени, коли висихають.

Отож, усі сучасні зернові культури
мають ці гени у своїх

коренях і листі, вони просто ніколи

їх не включають. Вони лише

активують їх у тканинах насіння.

Тепер ми намагаємося

зрозуміти сигнали довкілля й клітинні сигнали,

які вмикають ці гени у рослин-ефемерах,

щоби зімітувати ці процеси
в зернових культурах.

І останнє.

Ми намагаємось дуже швидко

повторити те, що природа
зробила за час еволюції

рослин-ефемерів
10-40 мільйонів років тому.

Мої рослини і я дякуємо вам за увагу.

(Оплески)