HỌC PHÂN TỬ VÀ TẾ BÀO)
Tôi nghĩ rằng việc trồng các loại cây trồng có khả năng chịu hạn rất tốt bằng cách nào đó sẽ giữ được an ninh lương thực cho thế giới, và bí mật của điều đó là cây hồi sinh trong hình ảnh ở trạng thái rất khô này. Bạn có thể nghĩ rằng những cây này trông đã chết, nhưng không phải vậy. Nếu bạn cho chúng uống nước, chúng sẽ hồi sinh, chuyển sang màu xanh lục và bắt đầu phát triển sau 12- 48 giờ.
Bây giờ, tại sao tôi lại đề xuất rằng trồng cây chịu hạn có thể đảm bảo an ninh lương thực? Dân số thế giới hiện nay vào khoảng 7 tỷ người và dự kiến sẽ tăng lên 9-10 tỷ người vào năm 2050, phần lớn trong số đó là ở châu Phi.
Tổ chức Nông lương Thế giới đã gợi ý rằng chúng ta cần tăng sản lượng nông nghiệp lên 70% so với hiện tại để đáp ứng nhu cầu tại thời điểm đó. Bởi vì thực vật là cơ sở của chuỗi thức ăn, hầu hết các sản lượng gia tăng cần đến từ thực vật.
Nhưng mức tăng 70% không tính đến các tác động tiềm tàng của biến đổi khí hậu.
Đây là một nghiên cứu được công bố vào năm 2011, trong đó ông đã xem xét tất cả các tác động có thể có của biến đổi khí hậu và trình bày chúng, trong số đó có sự gia tăng các khu vực khô hạn do thiếu hoặc tần suất mưa. Các khu vực màu đỏ được hiển thị ở đây là khu vực mà nông nghiệp đã rất phát triển cho đến nay nhưng sẽ không thể trồng trọt trong tương lai do thiếu lượng mưa. Đây là những gì dự kiến sẽ xảy ra vào năm 2050. Trên thực tế, phần lớn châu Phi sẽ gặp khó khăn. Chúng ta sẽ phải nghĩ ra một số cách thực sự khéo léo để sản xuất thực phẩm. Trong số đó, biện pháp thích hợp hơn cả là gieo trồng một số loại cây chịu hạn
Một điều nữa chúng ta cần nhớ về Châu Phi là phần lớn nông nghiệp của họ chủ yếu là sử dụng nước mưa.
Giờ đây, việc trồng các loại cây chịu hạn không phải là việc dễ dàng. Lý do cho điều này là nước. Trên hành tinh này, nước rất cần thiết cho sự sống. Tất cả các sinh vật sống, có hoạt động trao đổi chất, từ vi sinh vật cho đến bạn và tôi, chủ yếu được cấu tạo từ nước. Tất cả các phản ứng cần thiết để duy trì sự sống đều
diễn ra trong nước. Mất nước dù chỉ một lượng nhỏ cũng có thể dẫn đến tử vong. Cơ thể con người có 65% là nước, nếu chúng ta mất 1% nước thì chúng ta sẽ chết. Nhưng chúng ta có thể ngăn điều đó xảy ra thông qua thay đổi hành vi. Thực vật không thể. Chúng mọc trên mặt đất. Vì vậy, trước hết chúng có nhiều nước hơn chúng ta, tức là khoảng 95% nước. Chúng cũng có thể mất nhiều nước hơn chúng ta. Các loài khác nhau có thể mất 10 đến 70% nước trong một khoảng thời gian ngắn.
Hầu hết các loài đều chống lại hoặc cố gắng tránh mất nước. Lấy một ví dụ điển hình về cây ngậm nước: các loài xương rồng. Chúng thường nhỏ và đẹp, nhưng chúng phải phát triển rất chậm để giữ nước. Các ví dụ chính để tránh thất thoát nước là cây cối và bụi rậm có rễ ăn sâu vào lòng đất cho đến khi nguồn nước ngầm liên tục hút nhiều mạch nước ngầm để giữ nước.
Cây bên phải được gọi là Baobab. Nó còn được gọi là cây lộn ngược vì tỷ lệ của rễ với mặt đất quá lớn khiến cây trông như bị lộn ngược. Tất nhiên rễ như vậy là cần thiết để giữ ẩm.
Có lẽ hàng năm là chiến lược được sử dụng phổ biến nhất để tránh thất thoát nước. Hàng năm là nguồn thực phẩm chính của chúng tôi được trồng ở bờ biển phía tây của đất nước tôi. Chúng tôi không thấy những loại rau này phát triển trong hầu hết cả năm, nhưng khi mùa mưa đến mùa xuân, bạn có thể nhìn thấy hoa nở khắp nơi trên sa mạc.
Chiến lược cho hàng năm là chỉ trồng trong mùa mưa. Vào cuối mùa mưa, chúng tạo ra hạt khô, chỉ chứa 8 đến 10 phần trăm nước, nhưng rất mạnh mẽ. Đặc tính duy trì hoạt động trong môi trường khô này được gọi là khả năng chịu khô.
Hạt giống có thể tồn tại rất lâu trong điều kiện khắc nghiệt như vậy ở các nước khô hạn. Khi mùa mưa tiếp theo đến, chúng đâm chồi nảy lộc và chu kỳ cứ lặp đi lặp lại.
Người ta tin rằng sự phát triển của các loại hạt chịu ẩm như vậy đã cho phép sự xâm chiếm và phát tán của các loài thực vật có hoa và thực vật hạt kín trên đất liền.
Hàng năm là nguồn lương thực chính như lúa mì, gạo và ngô, chiếm 95% nguồn lương thực của chúng ta cũng có vẻ là một chiến lược tốt vì có thể tạo ra nhiều hạt trong một thời gian ngắn. Hạt rất giàu năng lượng có thể được cơ thể hấp thụ để bạn có thể Chuẩn bị cho nạn đói khi thực phẩm dồi dào. Nhưng cũng có
những bất cập. Các mô sinh dưỡng của những cây này, rễ và lá, không có nhiều khả năng chống lại sự hút ẩm, tránh sự hút ẩm, hoặc chịu được sự hút ẩm vì đơn giản là chúng không cần đến nó. Chúng sinh trưởng trong mùa mưa và đã tạo ra những hạt giống sẽ tồn tại trong suốt phần còn lại của năm
Và dù các chuyên gia nông nghiệp có cố gắng đến đâu để cải thiện khả năng chống, tránh và chịu hạn của cây trồng, đặc biệt là khả năng chống và tránh hạn, thì mặc dù chúng ta đã có những mô hình tốt để hiểu cách thức hoạt động của cây trồng, chúng ta vẫn chỉ nhận được kết quả như thế này. Vụ ngô của châu Phi chết sau hai tuần không có mưa.
Bây giờ có một kế hoạch để hồi sinh các nhà máy. Những cây này có thể mất tới 95% lượng nước trong tế bào, rơi vào trạng thái khô lơ lửng trong nhiều tháng, và chỉ cần cung cấp nước cho chúng là chúng có thể xanh tươi và bắt đầu phát triển ngay lập tức. Giống như hạt giống, chúng có khả năng chịu ẩm ướt và có thể chịu được môi trường khắc nghiệt. Đây là một hiện tượng rất hiếm. Chỉ có 135 loài thực vật có hoa trên thế giới có thể làm được điều đó.
Tôi sẽ cho bạn xem một video về ba loại quy trình hồi sức cấp cứu cây trồng. Có dòng thời gian bên dưới video để bạn có thể xem mọi thứ diễn ra nhanh như thế nào.
Thật tuyệt vời phải không?
Vì vậy, tôi đã dành 21 năm để nghiên cứu cách chúng làm điều đó. Làm thế nào để những cây này khô và không chết? Vì một số lý do, tôi đã nghiên cứu trạng thái của các cây hồi sinh khác nhau trong hình ở cả điều kiện khô và có nước Một lý do là mỗi cây hồi sinh có thể dùng làm khuôn mẫu cho phiên bản cây trồng chịu hạn.
Ví dụ, loại cỏ ở góc trên bên trái này có tên là Cordyceps teff, là họ hàng gần của teff, được nhiều người gọi là teff Ethiopia, là cây trồng chính ở Ethiopia. Nó không chứa gluten. Chúng tôi muốn phát triển một phiên bản chịu hạn của Ethiopia teff.
Một lý do khác khiến chúng ta nghiên cứu các loại thực vật khác là, ít nhất chúng ta muốn hiểu về cơ bản chúng đang làm gì? Chúng có phải là cùng một cơ chế bên trong để mất nước mà không chết không?
Vì vậy, tôi đã áp dụng phương pháp tiếp cận sinh học hệ thống, hy vọng sẽ hiểu được toàn diện về khả năng chịu hạn của thực vật.
Ví dụ: khi chúng ta phân tích thực vật khô và xem xét những thay đổi và cấu trúc dưới vi mô của chúng, chúng ta sẽ xem xét cách bộ gen phiên mã phản ứng với hạn hán. Bộ gen phiên mã là một thuật ngữ kỹ thuật có nghĩa là chúng ta xem xét liệu công tắc gen được bật hay tắt để ứng phó với hạn hán. Hầu hết các gen tạo ra protein, vì vậy chúng tôi nghiên cứu proteome. Thực vật tạo ra
protein gì khi hạn hán? Một số protein tạo ra các enzym cho phép thực vật trao đổi chất, vì vậy chúng tôi nghiên cứu cơ chế chuyển hóa.
Điều đó quan trọng bởi vì thực vật được gắn chặt vào mặt đất, và chúng sử dụng cái được gọi là nhà máy hóa chất có sự phối hợp cao để bảo vệ chúng khỏi áp lực của thế giới bên ngoài. Vì vậy, việc nghiên cứu những thay đổi hóa học này do quá trình sấy khô cũng rất quan trọng.
Cuối cùng, ở cấp độ phân tử, chúng tôi đã xem xét sự thay đổi của chất béo liposome để phản ứng với hạn hán. Điều này cũng rất quan trọng vì tất cả các màng sinh học đều là lipid. Chúng vẫn giống như màng vì chúng ở trong nước, những màng này sẽ vỡ ra khi chúng được giải phóng khỏi nước. Lipid cũng là tín hiệu kích hoạt gen
Chúng tôi áp dụng các phương pháp nghiên cứu sinh lý và sinh hóa để kiểm tra và hiểu các cơ chế bảo vệ giả định mà chúng tôi đã xác định trong các nghiên cứu khác. Thông qua tất cả các nghiên cứu này để cố gắng hiểu cách thực vật thích nghi với môi trường tự nhiên xung quanh nó.
Triết lý khoa học của tôi là tôi cần hiểu biết toàn diện về các cơ chế của khả năng chịu hạn trước khi tôi có thể đưa ra các khuyến nghị có ý nghĩa cho các ứng dụng sinh học.
Tôi chắc rằng một số người đang tự hỏi, “Ý cô ấy là cây trồng GMO bằng các ứng dụng sinh học?” Câu trả lời cho câu hỏi đó là: Phụ thuộc vào cách GMO được định nghĩa như thế nào.
Tất cả các loại cây trồng chúng ta ăn ngày nay, lúa mì, gạo và ngô, đều được biến đổi gen cao so với tổ tiên của chúng, và chúng tôi không coi chúng là biến đổi gen vì chúng luôn được lai tạo theo cách truyền thống. Nếu bạn hỏi tôi liệu tôi có định đưa gen từ thực vật hồi sức vào cây trồng hay không, câu trả lời của tôi là có.
Thời gian không còn nhiều và chúng tôi đã thử những điều này. Chính xác là một số đồng nghiệp của tôi tại UCT, Jennifer Thomson, Sal Rafdern, đã thử nghiệm nó trước và tôi sẽ trình bày một số điều đó trong giây lát.
Nhưng những gì chúng tôi sẽ làm là một công việc rất tham vọng. Mục tiêu là kích hoạt toàn bộ bộ gen đã có trong mỗi cây. Chúng chỉ chưa được kích hoạt trong điều kiện hạn hán khắc nghiệt. Tôi hy vọng bạn có thể tự đánh giá cho dù đây là cách được biến đổi gen.
Tôi sẽ trình bày một số tài liệu từ giai đoạn đầu tiên của thí nghiệm. Trước khi trình chiếu, tôi cần giải thích cách hoạt động của các gen.
Có lẽ ai cũng biết rằng gen là một cấu trúc chuỗi kép của DNA. Nó tồn tại trong mọi tế bào người hoặc thực vật bằng cách cuộn chặt để hình thành nhiễm sắc thể. Nếu bạn tháo xoắn DNA, bạn sẽ nhận được các gen. Mỗi gen đều có promoter, là vùng chuyển gen phiên mã và vùng kết thúc. Điều này có nghĩa là phần này phiên mã gen kết thúc, gen tiếp theo sắp bắt đầu phiên mã
Trình quảng bá không phải là công tắc đơn giản, chúng có xu hướng yêu cầu rất nhiều tinh chỉnh. Có rất nhiều nhắm mục tiêu và hiệu chỉnh trước khi bật công tắc gen. Vì vậy, về cơ bản chúng tôi sử dụng trình kích thích cảm ứng trong nghiên cứu công nghệ sinh học của mình để nghiên cứu cách bật trình kích hoạt Chúng tôi đưa nó vào gen của chúng tôi Sau đó, gen quan tâm sẽ được đưa vào cây để nghiên cứu phản ứng của cây.
Trong nghiên cứu mà tôi trình bày tiếp theo, các đồng nghiệp của tôi đã sử dụng chất xúc tiến protein gây khô hạn được tìm thấy trong các cây hồi sức. Ưu điểm của chất xúc tiến này là cây sẽ cảm thấy khô hạn một cách tự nhiên mà không cần đến các biện pháp bên ngoài. Tất cả căng thẳng, đặc biệt là căng thẳng do hạn hán, hình thành các gốc tự do, hoặc các loại oxy phản ứng. Các loài oxy phản ứng có sức hủy diệt cực lớn và có thể trực tiếp gây chết thực vật. Chất chống oxy hóa có thể ngăn chặn thiệt hại này.
Đây là giống ngô thường được sử dụng ở Châu Phi, bên trái mũi tên là những cây không có gen này và bên phải là những cây có gen chống oxy hóa. Các cây có gen chống oxy hóa sẽ tốt hơn nhiều sau ba tuần không có nước.
Kết thúc thí nghiệm vì nghiên cứu của tôi đã chỉ ra rằng có nhiều điểm giống nhau về cơ chế chịu hạn ở hạt giống và cây hồi sức, câu hỏi của tôi là chúng có cùng một gen không? Hay nó đã được chỉnh sửa hơi khác một chút? Các cây
hồi sinh cũng có gen chịu hạn này trên rễ và lá của chúng? Những gen này có được sử dụng lại bởi rễ và lá ở những cây trồng hồi sinh không?
Tôi có thể trả lời câu hỏi này thông qua công việc của nhóm đồng nghiệp của tôi và bản thân tôi, thông qua một loạt tác phẩm của Henk Hillhorst từ Hà Lan, Mel Oliver từ Hoa Kỳ và Julia Booker từ Pháp. Chúng tôi nghĩ câu trả lời là: Có. Tất cả chúng đều có một bộ gen cốt lõi hoàn chỉnh
Tôi sẽ sử dụng ví dụ về cây ngô để giải thích rằng trong nhiễm sắc thể bên dưới nút chuyển có tất cả các gen cần thiết cho khả năng chịu hạn. trên. Công tắc tương tự cũng được bật khi cây hồi sinh gặp hạn hán. Vì vậy, tất cả các loài thực vật hiện đại đều có những gen này trong rễ và lá của chúng, nhưng chúng không bao giờ lật công tắc. Chúng chỉ được chuyển sang dạng hạt giống.
Những gì chúng tôi đang cố gắng làm bây giờ là hiểu các tín hiệu môi trường và tế bào bật công tắc di truyền giúp hồi sinh thực vật và bắt chước các quá trình tương tự trong cây trồng.
Cuối cùng, tôi muốn nói rằng chúng ta chỉ đang lặp lại quá trình tiến hóa mà thực vật đã thực hiện trong tự nhiên hơn 1 triệu đến 4 triệu năm qua với tốc độ nhanh chóng.