Wissenschaftler entdecken völlig neue Holzart, die sich als äußerst effizient bei der Kohlenstoffspeicherung erweisen könnte

30. Juli 2024

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von der University of Cambridge

Forscher, die eine evolutionäre Untersuchung der mikroskopischen Struktur von Holz einiger der weltweit bekanntesten Bäume und Sträucher durchführen, haben einen völlig neuen Holztyp entdeckt.

Diese Entdeckung könnte neue Möglichkeiten eröffnen, die Kohlenstoffbindung in Plantagenwäldern zu verbessern, indem man einen schnell wachsenden Baum pflanzt, der häufiger in Ziergärten zu sehen ist.

Die Studie ergab, dass Tulpenbäume, die mit Magnolien verwandt sind und gut über 100 Fuß hoch wachsen können, eine einzigartige Holzart haben, die weder in die Kategorie Hartholz noch Weichholz passt.

Wissenschaftler der Jagiellonian University und der University of Cambridge verwendeten ein Niedertemperaturscan-Elektronenmikroskop (Cryo-SEM), um die nanoskalige Architektur der sekundären Zellwände (Holz) in ihrem nativen hydratisierten Zustand abzubilden.

Die Forscher stellten fest, dass die beiden überlebenden Arten der antiken Gattung Liriodendron, die allgemein als Tulpenbaum (Liriodendron tulipifera) und chinesischer Tulpenbaum (Liriodendron chinense) bekannt sind, wesentlich größere Makrofibrillen als ihre Hartholz-Verwandten haben (Makrofibrillen sind lange Fasern, die in Schichten in der sekundären Zellwand ausgerichtet sind).

Der Hauptautor der in New Phytologist veröffentlichten Forschung, Dr. Jan Łyczakowski von der Jagiellonian University, sagte: "Wir zeigen, dass Liriodendrons eine mittlere Makrofibrillenstruktur haben, die sich wesentlich von der Struktur von Weich- oder Hartholz unterscheidet. Liriodendrons haben sich vor etwa 30 bis 50 Millionen Jahren von Magnolienbäumen getrennt, was mit einer schnellen Reduzierung von atmosphärischem CO2 zusammenfiel. Das könnte erklären, warum Tulpenbäume bei der Kohlenstoffspeicherung sehr effektiv sind."

Das Team vermutet, dass die größeren Makrofibrillen in diesem 'Mittelholz' oder 'Akkumulatorholz' hinter dem schnellen Wachstum der Tulpenbäume stecken.

Łyczakowski fügte hinzu: "Beide Tulpenbaumarten sind bekannt dafür, außergewöhnlich effizient bei der Speicherung von Kohlenstoff zu sein, und ihre vergrößerte Makrofibrillenstruktur könnte eine Anpassung sein, um ihnen zu helfen, größere Mengen an Kohlenstoff leichter zu erfassen und zu speichern, als die Verfügbarkeit von atmosphärischem Kohlenstoff reduziert wurde.

"Tulpenbäume könnten sich als nützlich für Kohlenstoffbindungspflanzungen erweisen. Einige Länder in Ostasien nutzen bereits Liriodendron-Plantagen, um Kohlenstoff effizient zu binden, und wir glauben nun, dass dies mit seiner neuartigen Holzstruktur zusammenhängen könnte."

Liriodendron tulipifera ist in Nordamerika heimisch und Liriodendron chinense ist eine einheimische Art aus Zentral- und Südchina sowie Vietnam.

Die Entdeckung war Teil einer Untersuchung von 33 Baumarten aus den Lebendigen Sammlungen des Cambridge University Botanic Garden, die erforscht haben, wie sich die ultrastrukturelle Holzentwicklung bei Weich- (Gymnospermen wie Kiefern und Koniferen) und Harthölzern (Angiospermen wie Eiche, Esche, Birke und Eukalyptus) entwickelt hat.

Łyczakowski sagte: "Obwohl dies wichtig ist, wissen wir wenig darüber, wie sich die Holzstruktur entwickelt und an die Umwelt anpasst. Wir haben bei dieser Untersuchung einige wichtige neue Entdeckungen gemacht - eine völlig neuartige Form der Holzultrastruktur, die zuvor noch nie beobachtet wurde, und eine Gruppe von Gymnospermen mit einem angiospermenähnlichen Hartholz anstelle des typischen Gymnospermen-Weichholzes.

"Die Hauptbausteine des Holzes sind die sekundären Zellwände, und es ist die Architektur dieser Zellwände, die dem Holz seine Dichte und Festigkeit verleiht, auf die wir uns beim Bau verlassen. Sekundäre Zellwände sind auch der größte Kohlenstoffspeicher in der Biosphäre, was es umso wichtiger macht, ihre Vielfalt zu verstehen, um unsere Kohlenstoffbindungsprogramme voranzutreiben, um dem Klimawandel entgegenzuwirken."

Die Holzultrastruktur bezieht sich auf die detaillierte mikroskopische Architektur des Holzes, die die Anordnung und Organisation seiner Materialkomponenten umfasst. Diese Untersuchung von Holz mit einem Kryo-Scan-Elektronenmikroskop konzentrierte sich auf:

Die Untersuchung der Holzultrastruktur ist für verschiedene Anwendungen von Bedeutung, darunter Holzverarbeitung, Materialwissenschaft und das Verständnis der ökologischen und evolutionären Aspekte von Bäumen. Das Verständnis der Biologie hinter dem Baumwachstum und der Holzablagerung ist auch wertvolle Information, um Kohlenstoffbindung zu berechnen.

Die Holzproben wurden von Bäumen im Cambridge University Botanic Garden gesammelt, in Absprache mit der Sammlungskoordinatorin des Gartens, Margeaux Apple. Frische Holzproben, die in der vorherigen Frühjahrswachstumssaison abgelagert wurden, wurden von einer Auswahl von Bäumen gesammelt, um die evolutionäre Geschichte von Gymnospermen- und Angiospermenpopulationen widerzuspiegeln, als sie auseinander gingen und sich entwickelten.

Der Leiter des Mikroskopie-Kerns am Sainsbury Laboratory der Universität Cambridge, Dr. Raymond Wightman, sagte: "Wir haben einige der weltweit ikonischsten Bäume wie die Riesenmammutbäume, Wollemi-Kiefern und sogenannte 'lebende Fossilien' wie Amborella trichopoda analysiert, die die einzige überlebende Art einer Pflanzenfamilie ist, die die früheste noch existierende Gruppe war, die sich separat von allen anderen blühenden Pflanzen entwickelt hat."

"Unsere Umfragedaten haben uns neue Einblicke in die evolutionären Beziehungen zwischen der Holznanostruktur und der Zellwandzusammensetzung gegeben, die sich in den Linien von Angiospermen- und Gymnospermen-Pflanzen unterscheidet. Angiospermen-Zellwände besitzen charakteristische engere elementare Einheiten, sogenannte Makrofibrillen, im Vergleich zu Gymnospermen. Diese kleinen Makrofibrillen sind nach der Abspaltung vom Vorfahren Amborella trichopoda entstanden."

Lyczakowski und Wightman analysierten auch die Zellwand-Makrofibrillen zweier Gymnospermen-Pflanzen der Familie der Gnetophyten - Gnetum gnemon und Gnetum edule - und bestätigten, dass beide eine sekundäre Zellwandultrastruktur haben, die mit den Holzzellwandstrukturen von Angiospermen übereinstimmt.

Dies ist ein Beispiel für konvergente Evolution, bei der die Gnetophyten unabhängig eine Holztypstruktur entwickelt haben, die normalerweise nur bei Angiospermen vorkommt.

Die Umfrage wurde durchgeführt, während das Vereinigte Königreich unter dem 4. heißesten Sommer seit 2022 schwitzte.

"Wir glauben, dass dies die größte Umfrage mit einem Kryo-Elektronenmikroskop von holzigen Pflanzen sein könnte, die jemals durchgeführt wurde", sagte Wightman.

"Es war nur möglich, eine so große Umfrage von frischem hydratisiertem Holz durchzuführen, weil sich das Sainsbury Lab auf dem Gelände des Botanischen Gartens der Universität Cambridge befindet. Wir haben alle Proben im Sommer 2022 gesammelt - morgens gesammelt, die Proben in ultrakaltem Stickstofffrost gefroren und die Proben bis Mitternacht abgebildet."

"Diese Forschung zeigt den fortgesetzten Wert und Einfluss, den botanische Gärten zur modernen Forschung beitragen. Diese Studie wäre ohne eine so vielfältige Auswahl von Pflanzen durch die evolutionäre Zeit, die alle zusammen im gleichen Ort in den Sammlungen des Botanischen Gartens der Universität Cambridge wachsen, nicht möglich gewesen."

Weitere Informationen:
Jan J Lyczakowski und Raymond Wightman, Konvergente und adaptive Evolution trieben die Veränderung der sekundären Zellwandultrastruktur in existierenden Linien von Samenpflanzen voran, New Phytologist (2024). DOI: 10.1111/nph.19983

Alle cryo-SEM-Bilder aus der Holzumfrage sind in diesem Mendeley-Repository öffentlich verfügbar.

Zeitschrifteninformation:
New Phytologist

Bereitgestellt von
Universität Cambridge