TED日本語 - ジル・ファラント: 干ばつに耐えられる農作物の作り方



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TED Talks

How we can make crops survive without water
Jill Farrant




I believe that the secret to producing extremely drought-tolerant crops, which should go some way to providing food security in the world, lies in resurrection plants, pictured here, in an extremely droughted state. You might think that these plants look dead, but they're not. Give them water, and they will resurrect, green up, start growing, in 12 to 48 hours.

Now, why would I suggest that producing drought-tolerant crops will go towards providing food security? Well, the current world population is around 7 billion. And it's estimated that by 2050, we'll be between 9 and 10 billion people, with the bulk of this growth happening in Africa.

The food and agricultural organizations of the world have suggested that we need a 70 percent increase in current agricultural practice to meet that demand. Given that plants are at the base of the food chain, most of that's going to have to come from plants.

That percentage of 70 percent does not take into consideration the potential effects of climate change.

This is taken from a study by Dai published in 2011, where he took into consideration all the potential effects of climate change and expressed them -- amongst other things -- increased aridity due to lack of rain or infrequent rain. The areas in red shown here, are areas that until recently have been very successfully used for agriculture, but can not anymore because of lack of rainfall. This is the situation that's predicted to happen in 2050. Much of Africa, in fact, much of the world, is going to be in trouble. We're going to have to think of some very smart ways of producing food. And preferably among them, some drought-tolerant crops.

The other thing to remember about Africa is that most of their agriculture is rainfed.

Now, making drought-tolerant crops is not the easiest thing in the world. And the reason for this is water. Water is essential to life on this planet. All living, actively metabolizing organisms, from microbes to you and I, are comprised predominately of water. All life reactions happen in water. And loss of a small amount of water results in death. You and I are 65 percent water -- we lose one percent of that, we die. But we can make behavioral changes to avoid that. Plants can't. They're stuck in the ground. And so in the first instance they have a little bit more water than us, about 95 percent water, and they can lose a little bit more than us, like 10 to about 70 percent, depending on the species, but for short periods only.

Most of them will either try to resist or avoid water loss. So extreme examples of resistors can be found in succulents. They tend to be small, very attractive, but they hold onto their water at such great cost that they grow extremely slowly. Examples of avoidance of water loss are found in trees and shrubs. They send down very deep roots, mine subterranean water supplies and just keep flushing it through them at all times, keeping themselves hydrated.

The one on the right is called a baobab. It's also called the upside-down tree, simply because the proportion of roots to shoots is so great that it looks like the tree has been planted upside down. And of course the roots are required for hydration of that plant.

And probably the most common strategy of avoidance is found in annuals. Annuals make up the bulk of our plant food supplies. Up the west coast of my country, for much of the year you don't see much vegetation growth. But come the spring rains, you get this: flowering of the desert.

The strategy in annuals, is to grow only in the rainy season. At the end of that season they produce a seed, which is dry,eight to 10 percent water, but very much alive. And anything that is that dry and still alive, we call desiccation-tolerant.

In the desiccated state, what seeds can do is lie in extremes of environment for prolonged periods of time. The next time the rainy season comes, they germinate and grow, and the whole cycle just starts again.

It's widely believed that the evolution of desiccation-tolerant seeds allowed the colonization and the radiation of flowering plants, or angiosperms, onto land.

But back to annuals as our major form of food supplies. Wheat, rice and maize form 95 percent of our plant food supplies. And it's been a great strategy because in a short space of time you can produce a lot of seed. Seeds are energy-rich so there's a lot of food calories, you can store it in times of plenty for times of famine, but there's a downside. The vegetative tissues, the roots and leaves of annuals, do not have much by way of inherent resistance, avoidance or tolerance characteristics. They just don't need them. They grow in the rainy season and they've got a seed to help them survive the rest of the year.

And so despite concerted efforts in agriculture to make crops with improved properties of resistance, avoidance and tolerance -- particularly resistance and avoidance because we've had good models to understand how those work -- we still get images like this. Maize crop in Africa,two weeks without rain and it's dead.

There is a solution: resurrection plants. These plants can lose 95 percent of their cellular water, remain in a dry, dead-like state for months to years, and give them water, they green up and start growing again. Like seeds, these are desiccation-tolerant. Like seeds, these can withstand extremes of environmental conditions. And this is a really rare phenomenon. There are only 135 flowering plant species that can do this.

I'm going to show you a video of the resurrection process of these three species in that order. And at the bottom, there's a time axis so you can see how quickly it happens.


Pretty amazing, huh?

So I've spent the last 21 years trying to understand how they do this. How do these plants dry without dying? And I work on a variety of different resurrection plants, shown here in the hydrated and dry states, for a number of reasons.

One of them is that each of these plants serves as a model for a crop that I'd like to make drought-tolerant.

So on the extreme top left, for example, is a grass, it's called Eragrostis nindensis, it's got a close relative called Eragrostis tef -- a lot of you might know it as "teff" -- it's a staple food in Ethiopia, it's gluten-free, and it's something we would like to make drought-tolerant.

The other reason for looking at a number of plants, is that, at least initially, I wanted to find out: do they do the same thing? Do they all use the same mechanisms to be able to lose all that water and not die?

So I undertook what we call a systems biology approach in order to get a comprehensive understanding of desiccation tolerance, in which we look at everything from the molecular to the whole plant, ecophysiological level.

For example we look at things like changes in the plant anatomy as they dried out and their ultrastructure. We look at the transcriptome, which is just a term for a technology in which we look at the genes that are switched on or off, in response to drying. Most genes will code for proteins, so we look at the proteome. What are the proteins made in response to drying? Some proteins would code for enzymes which make metabolites, so we look at the metabolome.

Now, this is important because plants are stuck in the ground. They use what I call a highly tuned chemical arsenal to protect themselves from all the stresses of their environment. So it's important that we look at the chemical changes involved in drying.

And at the last study that we do at the molecular level, we look at the lipidome -- the lipid changes in response to drying. And that's also important because all biological membranes are made of lipids. They're held as membranes because they're in water. Take away the water, those membranes fall apart. Lipids also act as signals to turn on genes.

Then we use physiological and biochemical studies to try and understand the function of the putative protectants that we've actually discovered in our other studies. And then use all of that to try and understand how the plant copes with its natural environment.

I've always had the philosophy that I needed a comprehensive understanding of the mechanisms of desiccation tolerance in order to make a meaningful suggestion for a biotic application.

I'm sure some of you are thinking, "By biotic application, does she mean she's going to make genetically modified crops?" And the answer to that question is: depends on your definition of genetic modification.

All of the crops that we eat today, wheat, rice and maize, are highly genetically modified from their ancestors, but we don't consider them GM because they're being produced by conventional breeding. If you mean, am I going to put resurrection plant genes into crops, your answer is yes.

In the essence of time, we have tried that approach. More appropriately, some of my collaborators at UCT, Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen, have spearheaded that approach and I'm going to show you some data soon.

But we're about to embark upon an extremely ambitious approach, in which we aim to turn on whole suites of genes that are already present in every crop. They're just never turned on under extreme drought conditions. I leave it up to you to decide whether those should be called GM or not.

I'm going to now just give you some of the data from that first approach. And in order to do that I have to explain a little bit about how genes work.

So you probably all know that genes are made of double-stranded DNA. It's wound very tightly into chromosomes that are present in every cell of your body or in a plant's body. If you unwind that DNA, you get genes. And each gene has a promoter, which is just an on-off switch, the gene coding region, and then a terminator, which indicates that this is the end of this gene, the next gene will start.

Now, promoters are not simple on-off switches. They normally require a lot of fine-tuning, lots of things to be present and correct before that gene is switched on. So what's typically done in biotech studies is that we use an inducible promoter, we know how to switch it on. We couple that to genes of interest and put that into a plant and see how the plant responds.

In the study that I'm going to talk to you about, my collaborators used a drought-induced promoter, which we discovered in a resurrection plant. The nice thing about this promoter is that we do nothing. The plant itself senses drought. And we've used it to drive antioxidant genes from resurrection plants. Why antioxidant genes? Well, all stresses, particularly drought stress, results in the formation of free radicals, or reactive oxygen species, which are highly damaging and can cause crop death. What antioxidants do is stop that damage.

So here's some data from a maize strain that's very popularly used in Africa. To the left of the arrow are plants without the genes, to the right -- plants with the antioxidant genes. After three weeks without watering, the ones with the genes do a hell of a lot better.

Now to the final approach. My research has shown that there's considerable similarity in the mechanisms of desiccation tolerance in seeds and resurrection plants. So I ask the question, are they using the same genes? Or slightly differently phrased, are resurrection plants using genes evolved in seed desiccation tolerance in their roots and leaves? Have they retasked these seed genes in roots and leaves of resurrection plants?

And I answer that question, as a consequence of a lot of research from my group and recent collaborations from a group of Henk Hilhorst in the Netherlands, Mel Oliver in the United States and Julia Buitink in France. The answer is yes, that there is a core set of genes that are involved in both.

And I'm going to illustrate this very crudely for maize, where the chromosomes below the off switch represent all the genes that are required for desiccation tolerance. So as maize seeds dried out at the end of their period of development, they switch these genes on. Resurrection plants switch on the same genes when they dry out. All modern crops, therefore, have these genes in their roots and leaves, they just never switch them on. They only switch them on in seed tissues.

So what we're trying to do right now is to understand the environmental and cellular signals that switch on these genes in resurrection plants, to mimic the process in crops.

And just a final thought. What we're trying to do very rapidly is to repeat what nature did in the evolution of resurrection plants some 10 to 40 million years ago.

My plants and I thank you for your attention.


世界の安定した食料確保を これから約束してくれる 干ばつに非常に強い作物を 生産する鍵は 復活植物にあると私は信じています この写真は 極限の乾燥地帯にある植物です これらは枯死してしまっている様ですが そうではありません 水を与えると 12~48時間で復活し 青々と成長し始めます

この提案の理由 ― 食料確保に干ばつ耐性のある作物を 提案する理由は 何でしょう? 今や世界人口は 約70億人です 2050年までには 90~100億人になり その多くはアフリカに集中すると 推定されています

世界中の食料農業機関は その需要を満たす為には 農業生産量を70%増産する必要があると 提言しています 植物が 食物連鎖の最底辺に あるのを見て分かるように 私たちの食物の大半は 植物ですから当然です

先程の70%には 気候変動の影響は 考慮に入れてありません

これは2011年に掲載された アイグオ・ダイの研究からの引用です 気候変動から起こりうる 全ての影響を考慮した さまざまな結果の中で 雨が降らない あるいは降雨日数が足りず ― 乾燥化する場所として示されています 赤で示されている地域は 最近まで 農耕地として利用されていましたが 雨量不足から それが出来なくなりました これは2050年を予測したものです アフリカが というより世界の大半が 危機を迎えるでしょう 何らかの効果的な食料生産方法を 考えなくてはなりません その中でも好適なのが 干ばつ耐性のある植物です

アフリカで忘れてならないのは 殆どの地域の農業は 降水に頼っていることです

干ばつ耐性のある作物を作出する事は 簡単なことではありません その理由は水です 水は地球の生物には欠かせません 常に代謝を繰り返している全ての生物 ― 微生物からヒトに至るまで 生命体の主な構成物質は水です 水で生命は息づき 少しでも水が無くなると 死に至る生命体もあります ヒトは 水分含有率は65%で その1%を失うと死に至ります 私たちは それを 行動により 回避出来ますが 植物は それが出来ません 地面に根を張ったままです 植物は 水分含有率が約95%と ヒトよりも高く 種にもよりますが ヒトよりも多くの水分 ― 10~70%程を失っても 生き延びることが出来ます あくまでも短期間だけですが

殆どの植物は 水分の損失に抵抗し 回避しようとします その極端な例は多肉植物に見られます 多肉植物は小さく美しいものが多いのですが 水分保持の為には犠牲も伴い 成長が非常にゆっくりになります 水の消失を回避する例は 木や低木で見られます 根を地中に伸ばし 地下深くから摂取した水分を 常時 体中に送り込み 水分補給しています

右はバオバブという植物で “上下逆さまの木”と呼ばれ 根と幹のプロポーションが まるで上下逆さにしたかの様です もちろん 根は植物が 吸水するのに必要なものです

水分消失を避けるためのよくある 「植物の知恵」は一年草で見られます 一年草は 私たちの植物性食物の 多くを占めています 米国の西海岸沿いでは 年間それ程の植物は 生育していないようでも 春に雨が降ると このように砂漠にも花が咲きます

一年草植物の知恵とは ― 雨季だけに成長するということです 雨季の終わりには 種子をつくります 種子の水分含有率は8~10%で 乾燥した状態ですが 生命力一杯です 乾燥し それでも命ある物は 乾燥耐性があるといいます

種子は乾燥状態のまま 過酷な環境の中 長い間じっとしているしかありません 次の雨季が来たときに 種子は発芽し 命のサイクルを再開します

乾燥耐性をもつ種子の進化により 花をつける顕花植物が繁殖し 陸地に拡がるようになったと 考えられています

では 私たちの主な食物源である 一年草に戻りましょう 植物性食物の95%を占めている 小麦、米、トウモロコシが 非常に都合がいいのは 短期間に種子を 大量に生産できるからです 種子には カロリーが 凝縮されているので 豊作の時に干ばつに備え 蓄えて置けます しかし ある問題があります 栄養組織である 一年草の根や葉は 乾燥に対する特性 ― 耐性、回避性、抵抗性を 持っていないのです その必要性がないのは 雨季に生育し その年を生き抜くための 種子を得てきたからです

農業における協調努力で その3つの特性が向上した 農作物を作ろうとしても ― 特に抵抗性と回避性の働きが 我々のモデルで良く分るのですが ― まだ こんな感じです アフリカのトウモロコシです 2週間 雨が降らず 枯死しています

この解決策は 復活植物にあります 復活植物は95%の水分を 失うことにも耐えられ 何ヶ月も何年もの間 乾燥し枯死したような状態で生き続けます そして 水を与えると 青々とし また成長し始めるのです 種子のように乾燥耐性があり 過酷な環境にも耐えられます この様な稀な特質を持つ被子植物は 世界に135種しかありません

そのビデオをお見せします 3種の復活植物が蘇る過程です 左から順を追って行きます 下の時間軸で どんなに早く復活するかが分かります



私は この復活植物のメカニズムを 21年間研究してきました どのように復活植物は死なずに 乾燥するのでしょう? 私はいくつかの理由で ここにあるような 様々な異なる種類、状態の 復活植物を研究しています

その理由の一つは これらの植物どれもが 干ばつ耐性を持つ作物の モデルとして役立つからです

例えば ずっと左上にある エラグロスティスニンデンシス この近縁のエラグロスティステフという 皆さんもご存知のテフとして知られている 無グルテンの エチオピアの主食です これに干ばつ耐性を 付与したいと我々は考えています

こんな植物を色々探している他の理由は ― 少なくとも最初は 種子と乾燥耐性のある植物は 同じ働きをしているのか 両方とも同じような機構で 水分損失後も生命を保っているのか 調べたかったからです

そこで乾燥耐性を包括的に理解するため いわゆる システム生物学のアプローチを使いました つまり 分子レベルから 植物全体の 生態生理学的レベルまで見て行きます

例えば 乾燥する過程での 植物解剖学的変化や 超微細構造を調べます 専門用語で言うトランスクリプトーム解析で 乾燥に反応して 活性化または抑制される遺伝子を調べます 次に殆どの遺伝子はタンパク質を コードするのでプロテオーム解析で どんなタンパク質が 乾燥過程で出来るのか調べます 代謝産物を作る酵素を コードするタンパク質もあるので 次にするメタボローム解析は

土から離れられない植物にとって重要です 私が「高度に調節された化学兵器」 と呼ぶ機構を使い 植物は 全ての環境ストレスから 身を守っているので 乾燥過程で起きる 植物内の化学変化を調べる事は重要です

分子レベルでする最後の段階では リピドームの変化 ― 乾燥に反応して起きる脂質の変化を調べます これもまた重要なのは 生物の膜組織は脂質で 出来ているからです 膜組織として脂質があるのは 水の中だからであり その水を取り除けば 膜組織は崩れてしまいます 脂質は 遺伝子をオンにする シグナルとしても働きます

最後に 生理学・生化学的研究を行って 我々の他の研究で発見して 保護剤と推定した物質の 機能を調べます これら全ての結果から 植物が自然環境に どう対処をしているか 理解することが出来ます

この様に乾燥耐性機構を 包括的に理解すべきだと 私が常に考えているのは 応用生命科学に 有意義な提案をするためです

と言うと こう思う方もいらっしゃるでしょう 「応用生命科学? 彼女は遺伝子組み換え作物を 作る積もりなのだろうか?」と その答えは 遺伝子組み換えを どう定義するかによります

私たちが食するすべての穀物 小麦、米、トウモロコシ等は 原始の姿からすると 高度に遺伝子操作されています それが遺伝子組換えだと 見なされないのは 従来の育種法によって 行われて来たからです では 「復活植物の遺伝子を作物に?」 と尋ねられれば その答えはイエスです

早速 我々はそれを試して見ました 正確には UCTの共同研究者 ジェニファー・トムソン スハイル・ラフディーンが このアプローチの指揮を執りました データをこれからお見せします

我々が今から取り掛かろうとしている 非常に野心的な方法は 作物全てに既に備わっている全遺伝子群を オンにするのが目標です これまで極度の干ばつ状態で 発現したことがなかっただけです これが 遺伝子組換えかどうかは 皆さんのお考えにお任せします

最初の手法から得たデータを 幾つかお見せしますが その前に 遺伝子がどのように働くのか 少し説明します

皆さんもご存知でしょうが 遺伝子は 2本鎖DNAの中にあり そのDNAが 中にしっかりと巻かれた染色体が ヒトにも植物にも 全ての細胞にあります DNAを引き延ばしてみると 遺伝子があり その1つ1つにプロモーターという 遺伝子を制御する 遺伝子コーディング領域があり 端にはターミネーターという 転写の終結を示し そこから 次の遺伝子へ移る末端があります

プロモーターは 遺伝子を制御する スイッチというだけではなく 遺伝子発現の前にかなりの微調節や 様々な正しい転写因子を必要とします バイオ技術における研究では 一般に誘導性プロモーターを使い 遺伝子を発現させます 我々は それを標的の遺伝子と共役させ 植物に導入し植物が どう反応するか見ます

これからお話しする研究では 私の共同研究者は 我々が復活植物に発見した 乾燥誘導性プロモーターを使いました このプロモーターの便利なところは 我々が何もしなくとも 植物は干ばつを感じ取るのです それを使い復活植物から 抗酸化遺伝子を単離しました 抗酸化遺伝子が大切なのは 全てのストレス 特に乾燥ストレスで 遊離基 ― 非常に有害な活性酸素種が生成され 作物を駄目にしてしまう可能性があり 抗酸化物質はそのダメージを防ぐからです

これはアフリカで広く作られている トウモロコシの品種から得たデータです 矢印の左は 抗酸化遺伝子の無い植物で 右は 抗酸化遺伝子があります 3週間水を与えなくとも 抗酸化遺伝子のある方は はるかに元気です

最終的に 我々の研究で 種子と復活植物の乾燥耐性機構が 非常に良く似ている事が分かりました 両者は同じ遺伝子を 使っているのでしょうか? 少し表現を変え 復活植物は種子にある 乾燥耐性が進化した遺伝子を 根や葉に使っているのか? 種子の遺伝子が復活植物の根や葉にも 働いているのでしょうか?

それにお答えします 我々グループの研究と オランダのヘンク・ヒルホースト USのメル・オリバー 仏のジュリア・バティンク等との 最近の共同研究から その答えはイエスです 両方に関わる 核となる遺伝子があるのです

これをトウモロコシで 簡単に説明します 抑制スイッチの下にある トウモロコシの染色体は 乾燥耐性に必要な 全ての遺伝子を含んでいます トウモロコシの種子が 成熟し乾燥してしまうと この遺伝子が発現します 復活植物は その同じ遺伝子のスイッチを 乾燥してしまった時入れます つまり現代の全ての作物は 根や葉にも この遺伝子があるのですが そのスイッチが入った事がないだけで 種子の組織にしか起動させていないのです

今 我々は そんな遺伝子にスイッチを入れる 復活植物の細胞や環境のシグナルを理解し 農作物で再現しようと試みています

最後に一言 我々は 自然が復活植物の進化の過程において 1から4千万年間掛けて成した事を 猛スピードで再現しているのです



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