Gli scienziati hanno scoperto un tipo di legno completamente nuovo che potrebbe essere altamente efficiente nello stoccaggio del carbonio.

30 luglio 2024

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da Università di Cambridge

Ricercatori impegnati in un'indagine evolutiva della struttura microscopica del legno proveniente da alcune delle piante arboree e arbustive più iconiche del mondo hanno scoperto un tipo completamente nuovo di legno.

Questa scoperta potrebbe aprire nuove opportunità per migliorare la sequestrazione del carbonio nelle foreste di piantagione piantando un albero a crescita rapida più comunemente visto nei giardini ornamentali.

Lo studio ha scoperto che gli Alberi di Tulipano, che sono correlati alle magnolie e possono crescere bene oltre i 100 piedi di altezza, hanno un tipo di legno unico che non rientra in nessuna delle categorie di legno duro o di legno tenero.

Scienziati dell'Università Jagellonica e dell'Università di Cambridge hanno utilizzato un microscopio elettronico a scansione a bassa temperatura (cryo-SEM) per immaginare l'architettura nanoscopica delle pareti cellulari secondarie (legno) nel loro stato idratato nativo.

I ricercatori hanno scoperto che le due specie sopravvissute dell'antico genere di Liriodendron, comunemente conosciute come Albero di Tulipano (Liriodendron tulipifera) e il Tulipano Cinese (Liriodendron chinense) hanno macrofibrille molto più grandi rispetto ai loro parenti a legno duro (le macrofibrille sono lunghe fibre allineate in strati nella parete cellulare secondaria).

Il primo autore della ricerca pubblicata su New Phytologist, il Dott. Jan Łyczakowski dell'Università Jagellonica, ha dichiarato: "Mostriamo che i Liriodendrons hanno una struttura macrofibrillare intermedia significativamente diversa dalla struttura sia del legno tenero che di quello duro. I Liriodendrons si sono distaccati dagli Alberi di Magnolia circa 30-50 milioni di anni fa, il che ha coinciso con una rapida riduzione dell'anidride carbonica atmosferica. Questo potrebbe contribuire a spiegare perché gli Alberi di Tulipano sono altamente efficaci nello stoccaggio del carbonio."

Il team sospetta che siano le macrofibrille più grandi in questo 'legno intermedio' o 'legno accumulatore' che stanno dietro alla rapida crescita degli Alberi di Tulipano.

Łyczakowski ha aggiunto: "Entrambe le specie di Albero di Tulipano sono conosciute per essere eccezionalmente efficienti nel fissare il carbonio, e la loro struttura macrofibrillare ingrandita potrebbe essere un'adattamento per aiutarli a catturare e immagazzinare più facilmente maggiori quantità di carbonio quando la disponibilità di carbonio atmosferico veniva ridotta.

Gli Alberi di Tulipano potrebbero risultare utili per le piantagioni di cattura del carbonio. Alcuni Paesi dell'Asia orientale stanno già utilizzando piantagioni di Liriodendron per bloccare efficacemente il carbonio, e ora pensiamo che questo possa essere correlato alla loro struttura del legno innovativa."

I Liriodendron tulipifera sono originari del Nord America e il Liriodendron chinense è una specie autoctona della Cina centrale e meridionale e del Vietnam.

La scoperta è stata parte di un'indagine su 33 specie arboree delle Collezioni Viventi del Giardino Botanico dell'Università di Cambridge, esplorando come l'ultrastruttura del legno si è evoluta attraverso legni teneri (gimnosperme come pini e conifere) e legni duri (angiosperme tra cui quercia, frassino, betulla e eucalipti).

Łyczakowski ha dichiarato: "Nonostante la sua importanza, sappiamo poco su come si evolva e si adatti la struttura del legno all'ambiente esterno. Abbiamo fatto alcune importanti nuove scoperte in questa indagine: una forma del tutto nuova di ultrastruttura del legno mai osservata prima e una famiglia di gimnosperme con legno duro simile a quello delle angiosperme invece del tipico legno tenero delle gimnosperme.

"I principali mattoni del legno sono le pareti cellulari secondarie, ed è l'architettura di queste pareti cellulari a conferire al legno la densità e la resistenza su cui contiamo per le costruzioni. Le pareti cellulari secondarie sono anche il maggior serbatoio di carbonio nella biosfera, il che rende ancora più importante comprendere la loro diversità per promuovere i nostri programmi di cattura del carbonio per aiutare a mitigare il cambiamento climatico."

L'ultrastruttura del legno si riferisce all'architettura microscopica dettagliata del legno, che comprende la disposizione e l'organizzazione dei suoi componenti materiali. Questa indagine del legno utilizzando un microscopio elettronico a scansione criogenica si è concentrata su:

Lo studio dell'ultrastruttura del legno è fondamentale per varie applicazioni, inclusi il trattamento del legno, la scienza dei materiali e la comprensione degli aspetti ecologici ed evolutivi degli alberi. Comprendere la biologia alla base della crescita degli alberi e della deposizione del legno è anche un'informazione importante per il calcolo della cattura del carbonio.

I campioni di legno sono stati raccolti dagli alberi del Giardino Botanico dell'Università di Cambridge in coordinamento con il Coordinatore delle Collezioni del Giardino, Margeaux Apple. Campioni freschi di legno depositati nella stagione di crescita primaverile precedente sono stati raccolti da una selezione di alberi per riflettere la storia evolutiva delle popolazioni di gimnosperme e angiosperme mentre si sono differenziate ed evolute.

Il responsabile del Microscopy Core Facility presso il Sainsbury Laboratory dell'Università di Cambridge, il Dr. Raymond Wightman, ha dichiarato: "Abbiamo analizzato alcune delle piante più iconiche al mondo come il sequoia gigante, il pino Wollemi e i cosiddetti 'fossili viventi' come la Amborella trichopoda, che è l'unica specie sopravvissuta di una famiglia di piante che è il gruppo più antico ancora esistente a evolversi separatamente da tutte le altre piante fiorite. I nostri dati di indagine ci hanno fornito nuove intuizioni sulle relazioni evolutive tra la nanostruttura del legno e la composizione della parete cellulare, che differisce tra le linee delle piante angiosperme e gimnosperme. 

Le pareti cellulari delle angiosperme possiedono unità elementari più strette e caratteristiche, chiamate macrofibrille, rispetto alle gimnosperme e queste piccole macrofibrille sono emerse dopo la divergenza dall'antenato Amborella trichopoda". 

Lyczakowski e Wightman hanno anche analizzato le macrofibrille delle pareti cellulari di due piante gimnosperme della famiglia dei Gnetofiti - Gnetum gnemon e Gnetum edule - e confermato che entrambe presentano una struttura ultrastrutturale della parete cellulare secondaria sinonima delle strutture di legno duro delle angiosperme. Questo è un esempio di evoluzione convergente in cui i Gnetofiti hanno evoluto indipendentemente una struttura di tipo legno duro normalmente visibile solo nelle angiosperme. La ricerca è stata condotta mentre il Regno Unito stava soffrendo sotto la 4a estate più calda mai registrata nel 2022. 

"Pensiamo che questa possa essere la più grande indagine, utilizzando un microscopio criogenico, mai realizzata sulle piante legnose", ha detto Wightman. "E' stato possibile fare un'indagine così ampia del legno idratato fresco solo perché il Sainsbury Lab è situato all'interno del Giardino Botanico dell'Università di Cambridge. Abbiamo raccolto tutti i campioni durante l'estate del 2022 - raccogliendo al mattino presto, congelando i campioni nell'azoto slush ultrafreddo e poi immaginando i campioni fino a mezzanotte. Questa ricerca illustra il continuo valore e impatto che i giardini botanici hanno nel contribuire alla ricerca moderna. 

Questo studio non sarebbe stato possibile senza avere una selezione così diversificata di piante rappresentate nel tempo evolutivo, tutte che crescono insieme nello stesso luogo nelle Collezioni del Giardino Botanico dell'Università di Cambridge.

" Più informazioni: Jan J Lyczakowski e Raymond Wightman, L'evoluzione convergente e adattativa ha guidato il cambiamento della ultrastruttura della parete cellulare secondaria nelle linee esistenti delle piante a seme, New Phytologist (2024). DOI: 10.1111/nph.19983 Tutte le immagini cryo-SEM dell'indagine sul legno sono pubblicamente disponibili in questo repository di Mendeley. Informazioni sulla rivista: New Phytologist Fornito da: Università di Cambridge.