我們如何讓作物在無水狀態下存活
-
0:01 - 0:05我相信要培育出極耐旱作物,
-
0:05 - 0:08為世界糧食安全提供
一定程度的解決之道, -
0:08 - 0:11秘密在於復甦植物,
-
0:11 - 0:14這張圖片顯示它們處在
嚴重乾旱下的狀態。 -
0:14 - 0:17你們可能會認為
這些植物看起來已經死了, -
0:17 - 0:18但並非如此。
-
0:18 - 0:20給它們水,
-
0:20 - 0:26它們會在 12 到 48 小時內
復甦、變綠、開始成長。 -
0:26 - 0:28為什麼我會說
-
0:28 - 0:33培育耐旱作物
可以提供糧食安全? -
0:33 - 0:37目前全世界約有 70 億人口。
-
0:37 - 0:39據估計到了 2050 年,
-
0:39 - 0:42我們會有 90 到 100 億人口,
-
0:42 - 0:46大部分的增長會在非洲。
-
0:46 - 0:48世界糧食與農業組織提出,
-
0:48 - 0:54依目前的耕作方式,
我們需要 70% 的成長 -
0:54 - 0:56以滿足此需求。
-
0:56 - 0:58有鑑於植物位於食物鏈的底層,
-
0:58 - 1:01此增長必須由植物提供。
-
1:01 - 1:0470 % 這樣的百分比數字,
-
1:04 - 1:08還沒有考慮到
氣候變遷的潛在影響。 -
1:08 - 1:13這是截自戴研究員
於 2011 年出版的研究報告, -
1:13 - 1:15他考慮到
-
1:15 - 1:18所有氣候變遷的潛在影響,
-
1:18 - 1:20並陳述,除了其它影響,
-
1:20 - 1:24因為缺雨或不常下雨,
乾旱情況會加重。 -
1:24 - 1:26這裡看到的紅色區域
-
1:26 - 1:28是直到最近
-
1:28 - 1:31都很成功的農業用地,
-
1:31 - 1:35但無法再使用,因為降雨不足。
-
1:35 - 1:39圖上這種情況預計
將於 2050 年發生。 -
1:39 - 1:41非洲大部分地區,
事實上全球大部分區域, -
1:41 - 1:43都會有麻煩。
-
1:43 - 1:47我們不得不想一些
非常高明的方式來生產糧食。 -
1:47 - 1:50最好是選耐旱作物。
-
1:50 - 1:52非洲有另一件事要記得,
-
1:52 - 1:56絕大部分的農業都是
看天田(雨養農業)。 -
1:56 - 2:00在這個世界培育
耐旱作物並不容易。 -
2:00 - 2:02原因是水。
-
2:02 - 2:05水是地球生命的要素。
-
2:05 - 2:09所有活著、還在代謝的生物,
-
2:09 - 2:11舉凡微生物或你我,
-
2:11 - 2:14主要都由水組成。
-
2:14 - 2:16所有的生命反應都在水中發生。
-
2:16 - 2:19失去一小部分的水
就會導致死亡。 -
2:19 - 2:21你和我有 65% 是水,
-
2:21 - 2:24只要失去 1% 的水就會死亡。
-
2:24 - 2:28但是我們能改變行為
以避免這種情況。 -
2:28 - 2:29植物不能。
-
2:30 - 2:31它們牢牢釘在地上。
-
2:31 - 2:35所以首先它們比我們
多含一點水, -
2:35 - 2:36大約 95% 都是水,
-
2:36 - 2:38可以比我們多失去一點水分,
-
2:38 - 2:42從 10% 到約 70% 都可以,
端看是哪種植物, -
2:42 - 2:45但是只能短暫失水。
-
2:45 - 2:49大部分植物都會想辦法
抗拒或避免失水。 -
2:49 - 2:53植物抗拒失水最極端的例子
就是多肉植物。 -
2:53 - 2:56它們通常很小、很漂亮,
-
2:56 - 2:58但是它們為了保住水分,
付出了極大的代價, -
2:58 - 3:01就是長得奇慢無比。
-
3:01 - 3:06可以在樹木或灌木中
找到避免失水的例子。 -
3:06 - 3:08它們札下深根 ,
-
3:08 - 3:09佈下地網尋找水源,
-
3:09 - 3:12隨時補注自己,
-
3:12 - 3:14保持含水狀態。
-
3:14 - 3:16右邊這種樹
叫波巴布樹(猢猻樹)。 -
3:16 - 3:18又稱為倒栽樹,
-
3:18 - 3:22就是因為根與莖的比例
差別如此之大, -
3:22 - 3:24看起來很像倒著種的樹。
-
3:24 - 3:28當然它的根部
必需讓整棵樹含水。 -
3:29 - 3:33大概最常見的避免失水策略
可在一年生植物中看到。 -
3:34 - 3:37一年生植物
佔糧食供給的一大部分。 -
3:37 - 3:39我國西海岸,
-
3:39 - 3:42一年大部分的時間
都看不到什麼植物生長。 -
3:42 - 3:45但是春天一下雨,
你就看到這個: -
3:45 - 3:47開花的沙漠。
-
3:47 - 3:49一年生植物的策略,
-
3:49 - 3:52是只在雨季成長。
-
3:52 - 3:54到了季末它們會結種子,
-
3:54 - 3:57種子是乾的,
8% 到 10% 的水, -
3:57 - 3:59但是的確是活的。
-
3:59 - 4:02那麼乾卻還活著的東西,
-
4:02 - 4:04我們就稱為耐旱。
-
4:04 - 4:05在乾燥狀態時,
-
4:05 - 4:08種子能做的就是
靜躺在極端環境下 -
4:08 - 4:10很長一段時間。
-
4:10 - 4:12下次雨季來時,
-
4:12 - 4:13就發芽成長,
-
4:13 - 4:16生命週期周而復始。
-
4:16 - 4:20大家普遍認為
種子的耐旱性演化 -
4:20 - 4:22可以使開花植物
-
4:22 - 4:27或被子植物,能在陸地上拓殖、輻射。
-
4:27 - 4:31再來談一年生植物
如何成為最主要的糧食來源。 -
4:31 - 4:36小麥、稻米及玉米
佔植物糧食供應量的 95%。 -
4:36 - 4:38這是很好的策略,
-
4:38 - 4:41因為你可以在短時間內
生產大量的種子。 -
4:41 - 4:44種子富含能量,
所以能提供很多卡路里, -
4:44 - 4:48你可以儲糧以備飢荒,
-
4:48 - 4:50但是有個缺點。
-
4:51 - 4:52一年生植物的營養組織,
-
4:52 - 4:54根部及葉片,
-
4:54 - 4:55沒有太多
-
4:55 - 5:00抗受性、迴避性或耐受性的遺傳特質。
-
5:00 - 5:01它們不需要這些特質。
-
5:01 - 5:02它們在雨季生長,
-
5:02 - 5:06然後結種子以幫助它們
撐過一年其餘的日子。 -
5:06 - 5:08所以儘管在農業界
大家一致努力 -
5:08 - 5:11要改良作物的
-
5:11 - 5:13抗受性、迴避性及耐受性,
-
5:13 - 5:15尤其是抗受性及迴避性,
-
5:15 - 5:18因為我們有很好的範本
瞭解這些如何作用, -
5:18 - 5:20我們仍然得到像圖上
這樣的結果。 -
5:20 - 5:22非洲的玉米田
-
5:22 - 5:23在兩星期無雨的情況下,
-
5:23 - 5:25死亡殆盡。
-
5:25 - 5:27我們有一個解決方案:
-
5:28 - 5:29復甦植物。
-
5:29 - 5:33這種植物可以失去
細胞內 95% 的水分, -
5:33 - 5:37維持在乾燥、近似死亡
狀態下數月到數年, -
5:37 - 5:39然後給它們水分,
-
5:39 - 5:41它們就會變綠,又開始成長。
-
5:42 - 5:45這些就像種子一樣
可以耐旱。 -
5:45 - 5:49這些就像種子一樣
可以禁得起極端環境條件。 -
5:49 - 5:52這是非常罕見的現象。
-
5:52 - 5:56只有 135 種開花植物
可以做到這點。 -
5:56 - 5:58我要給大家看一段影片,
-
5:58 - 6:00是這三種植物的復甦過程,
-
6:00 - 6:01按圖片上的順序播放。
-
6:02 - 6:03影片下方有時間軸,
-
6:03 - 6:09大家可以看到過程有多快。
-
6:44 - 6:46(掌聲)
-
6:50 - 6:52很驚人吧?
-
6:52 - 6:56我過去 21 年都在
試著瞭解它們如何辦到這一點。 -
6:56 - 6:59這些植物如何能乾枯卻不死亡?
-
6:59 - 7:02我研究很多種不同的復甦植物,
-
7:02 - 7:04這裡看到的是含水及乾燥狀態,
-
7:04 - 7:06有幾個原因。
-
7:06 - 7:09其中一個是這裡的
每種植物都充作研究範本, -
7:09 - 7:11以研究我想培育的耐旱作物。
-
7:11 - 7:14舉個例子,左上方是一種草,
-
7:14 - 7:16畫眉草屬植物,
-
7:16 - 7:19它有個近親叫
衣索比亞畫眉草, -
7:19 - 7:21很多人叫它苔麩,
-
7:21 - 7:22這是衣索比亞國民食物,
-
7:23 - 7:24無麩質,
-
7:24 - 7:27我們想讓它耐旱。
-
7:27 - 7:29另一個原因要看各種植物,
-
7:29 - 7:31就是,至少起初是這樣,
-
7:31 - 7:33我想知道:是不是
每種植物都有同樣的反應? -
7:33 - 7:35是不是都用同一種機制
-
7:35 - 7:37讓自己失水卻不至於死?
-
7:37 - 7:40所以我著手用我們稱為
系統生物學的方法, -
7:40 - 7:44以期對耐旱性能有完整的瞭解,
-
7:44 - 7:46我們看所有的東西,
-
7:46 - 7:49從分子到全株、
生理生態學階層都看。 -
7:49 - 7:50舉個例子,我們會看像是
-
7:50 - 7:53植物在變乾的過程中,
在解剖學上經歷的變化 -
7:53 - 7:54及其超微結構。
-
7:54 - 7:57我們會看轉錄組,
這只是一個技術名詞, -
7:57 - 7:58基本上就是要看哪些基因
-
7:58 - 8:01在因應乾燥過程中
會被開啟或關閉。 -
8:01 - 8:04大部分的基因都製造蛋白質,
所以我們也看蛋白質組。 -
8:04 - 8:07為了因應乾燥,
會製造出哪些蛋白質? -
8:07 - 8:11有些蛋白質是為了合成酵素,
產生代謝物, -
8:11 - 8:13所以我們也看代謝物組。
-
8:13 - 8:16這很重要,
因為植物牢牢釘在地上。 -
8:16 - 8:20它們用我稱為
非常精準的化學兵工廠 -
8:20 - 8:24來保護自己不受環境逆境影響。
-
8:24 - 8:28所以去看死亡過程的
化學變化就很重要。 -
8:29 - 8:31我們最近的研究
在看分子層次, -
8:31 - 8:32我們看的是脂類組,
-
8:32 - 8:35脂質如何變化以因應死亡。
-
8:35 - 8:36這也很重要,
-
8:36 - 8:39因為所有的生物膜
都由脂質組成。 -
8:39 - 8:41它們能形成薄膜是因為在水中。
-
8:41 - 8:44把水拿掉,薄膜就會解體。
-
8:44 - 8:48脂質還作為打開基因的信號。
-
8:48 - 8:51然後我們用生理及生化研究
-
8:51 - 8:54試著瞭解我們假設的
保護因子的功用, -
8:54 - 8:57這些因子是我們
在其它研究中發現的。 -
8:57 - 8:59然後用所有研究結果
去試著瞭解 -
8:59 - 9:03植物如何適應自然環境。
-
9:03 - 9:06我一直有套哲理,
就是我必須 -
9:06 - 9:10對耐旱性機制有全盤瞭解,
-
9:10 - 9:15才能對其生物應用
提出有意義的建議。 -
9:15 - 9:17我很確信有些人正在想:
-
9:17 - 9:18「生物應用?
-
9:18 - 9:22她是說她要培育基改作物?」
-
9:22 - 9:24這個問題的答案是:
-
9:24 - 9:27要看你怎麼定義基改。
-
9:27 - 9:30我們今天吃的作物,
小麥、稻米、玉米, -
9:30 - 9:33其基因都已改造成
與原來的老祖宗大不相同, -
9:33 - 9:35但是我們不認為這些是基改,
-
9:35 - 9:39因為這些是傳統育種的產物,
-
9:39 - 9:43如果你問,我是否要把
復甦作物的基因放進作物中, -
9:43 - 9:44答案是沒錯。
-
9:44 - 9:47時間就是成敗的關鍵,
我們已經試過這種方法。 -
9:47 - 9:50更正確的說法是
我在開普敦大學的合作夥伴, -
9:50 - 9:52湯姆森和拉弗丁博士,
-
9:52 - 9:54已經帶頭做這種方法,
-
9:54 - 9:57我等一下就會
給大家看一些數據。 -
9:57 - 10:01但是我們即將用一項
非常有野心的方法, -
10:01 - 10:05我們的目標是打開一系列基因,
-
10:05 - 10:07它們本來就存在於每種作物內。
-
10:07 - 10:10只是在非常乾旱的情況下
這些基因從未被打開過。 -
10:11 - 10:12我讓大家自己判斷
-
10:12 - 10:15這該不該稱為基改。
-
10:16 - 10:19我現在就給大家看一下
第一次做的數據。 -
10:19 - 10:20為了讓大家明白,
-
10:20 - 10:23我必須解釋一下
基因如何運作。 -
10:23 - 10:24你們大概都知道
-
10:24 - 10:26基因由雙股 DNA 組成。
-
10:26 - 10:28DNA 緊密纏繞成染色體,
-
10:28 - 10:32存在於你或植物體內的
每一個細胞中。 -
10:32 - 10:36如果你把 DNA 解開,
就得到基因。 -
10:36 - 10:38每個基因都有一個啟動子,
-
10:38 - 10:41就像開關一樣,
-
10:41 - 10:42還有基因編碼區,
-
10:42 - 10:43及一個終止子,
-
10:43 - 10:47表示這是該基因的終點,
下一個基因要開始。 -
10:48 - 10:51啟動子不像開關
那麼簡單。 -
10:51 - 10:53它們通常需要很多微調,
-
10:53 - 10:57很多條件必須存在且正確,
基因才會打開。 -
10:58 - 11:01所以做生技研究時,
-
11:01 - 11:03我們通常使用可誘導型啟動子,
-
11:03 - 11:05我們知道如何開啟它。
-
11:05 - 11:07我們將其與要研究的基因配對
-
11:07 - 11:09並放入植物中,
看該植物如何反應。 -
11:10 - 11:13在我要跟大家談的這個研究中,
-
11:13 - 11:15我的合作夥伴用一種
由乾旱誘發的啟動子, -
11:15 - 11:18我們在復甦植物中發現。
-
11:18 - 11:21這個啟動子的好處是
我們不用管它。 -
11:21 - 11:24植物本身會感覺到乾旱。
-
11:24 - 11:29我們用這個啟動子驅動
復甦植物內的抗氧化基因。 -
11:29 - 11:31為什麼是抗氧化基因?
-
11:31 - 11:34因為所有的逆境,
尤其是乾旱, -
11:34 - 11:36都會產生自由基,
-
11:36 - 11:38或活性氧類,
-
11:38 - 11:42它們的破壞性極強,
且會導致作物死亡。 -
11:42 - 11:45抗氧化基因會停止該破壞。
-
11:45 - 11:49現在看到的是某種玉米品系的數據,
這在非洲極常使用。 -
11:49 - 11:53箭頭左邊的是
沒有該基因的植株, -
11:53 - 11:54右邊的
-
11:54 - 11:56植株有抗氧化基因。
-
11:56 - 11:58三星期不澆水後,
-
11:58 - 12:01有該基因的植株
表現好的不得了。 -
12:02 - 12:03最後一點。
-
12:03 - 12:07我的研究顯示
-
12:07 - 12:11種子與復甦植物
耐旱性的機制相當相似。 -
12:11 - 12:12所以我問這個問題,
-
12:13 - 12:14這兩者都用同樣的基因嗎?
-
12:14 - 12:17或用略為不同的問法,
-
12:17 - 12:21復甦植物會利用
種子的耐旱性基因 -
12:21 - 12:23在根部與植物上嗎?
-
12:23 - 12:25它們會把這些種子基因的任務
-
12:25 - 12:28在根部及葉片上利用嗎?
-
12:28 - 12:29我的答案是,
-
12:29 - 12:31從我的研究小組,
-
12:31 - 12:36及最近一起合作,
位於荷蘭的希和教授, -
12:36 - 12:37美國的奧利佛
-
12:37 - 12:40法國的茱莉亞等
所得的結果, -
12:40 - 12:41我的答案是有,
-
12:41 - 12:44的確有一組關鍵基因
與兩者都有關。 -
12:44 - 12:48我用這張圖跟大家粗略
說一下玉米的情況, -
12:48 - 12:50開關之下的染色體
-
12:50 - 12:54代表耐旱基因。
-
12:54 - 12:58玉米在種子發育
最後階段要乾掉時, -
12:58 - 13:01就會打開這些基因。
-
13:01 - 13:05復甦植物在乾掉時
也會打開同樣的基因。 -
13:05 - 13:07因此,所有現代作物
-
13:07 - 13:09根部及葉片內都有這種基因,
-
13:09 - 13:11只是從來不打開。
-
13:11 - 13:13它們僅打開
種子組織內的這種基因。 -
13:13 - 13:15所以我們現在正在
-
13:15 - 13:18瞭解環境與細胞信號
-
13:18 - 13:21如何打開
復甦植物內的這些基因, -
13:21 - 13:23並在作物中模擬此過程。
-
13:24 - 13:25最後一點想法。
-
13:25 - 13:28我們現在做的就是,
-
13:28 - 13:34很快速地重現一千到四千萬年前
大自然復甦植物演化的過程。 -
13:34 - 13:38我的植物和我
都感謝大家的關注。 -
13:38 - 13:43(掌聲)
- Title:
- 我們如何讓作物在無水狀態下存活
- Speaker:
- 吉兒.法倫特
- Description:
-
隨著世界人口成長及日益明顯的氣候變遷效應,我們必須以愈來愈少的可耕作土地餵飽愈來愈多的人。分子生物學家吉兒‧法倫特研究一種非常罕見的現象,可能有所助益:「復甦植物。」這是一種超耐旱植物,可以自己起死回生。這種植物可否為愈來愈乾熱的世界帶來一線希望?
- Video Language:
- English
- Team:
- closed TED
- Project:
- TEDTalks
- Duration:
- 13:56
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易帆 余 edited Chinese, Traditional subtitles for How we can make crops survive without water | ||
易帆 余 accepted Chinese, Traditional subtitles for How we can make crops survive without water | ||
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Regina Chu edited Chinese, Traditional subtitles for How we can make crops survive without water |