Naukowcy odkryli zupełnie nowy typ drewna, który może być wysoce efektywny w przechowywaniu węgla.

30 lipca 2024

Ten artykuł został przeanalizowany zgodnie z procesem redakcyjnym i zasadami Science X. Redaktorzy zwrócili uwagę na następujące cechy, zapewniając wiarygodność treści:

• zweryfikowane faktami
• publikacja przejrzana przez recenzentów
• zaufane źródło
• zredagowane

przez University of Cambridge

Badacze prowadzący badania ewolucyjne struktury mikroskopowej drewna niektórych z najbardziej ikonicznych drzew i krzewów na świecie odkryli zupełnie nowy rodzaj drewna.

To odkrycie może otworzyć nowe możliwości poprawy magazynowania węgla w lasach plantacyjnych poprzez sadzenie szybko rosnącego drzewa, które częściej spotykane jest w ogrodach ozdobnych.

Studium wykazało, że Dęby Tulipanowe, spokrewnione z magnoliami i mogące dorastać do ponad 100 stóp wysokości, posiadają unikalny rodzaj drewna, który nie pasuje ani do twardego, ani do miękkiego drewna.

Naukowcy z Uniwersytetu Jagiellońskiego i Uniwersytetu Cambridge użyli niskotemperaturowego skaningowego mikroskopu elektronowego (cryo-SEM), aby zbadać architekturę nanoskalową ścian komórkowych (drewno) w ich naturalnym stanie nawilżenia.

Badacze odkryli, że dwa ocalałe gatunki starożytnego rodzaju Liriodendron, powszechnie znane jako Dąb Tulipanowy (Liriodendron tulipifera) i Dąb Tulipanowy Chiński (Liriodendron chinense), posiadają znacznie większe makrofibryle niż ich krewni z twardych gatunków drewna (makrofibryle to długie włókna ułożone warstwami w ścianie komórkowej wtórnej).

Pierwszy autor badania opublikowanego w New Phytologist, dr Jan Łyczakowski z Uniwersytetu Jagiellońskiego, powiedział, „Pokażemy, że Liriodendrony posiadają pośrednią strukturę makrofibrylową, znacząco różną od struktury zarówno miękkiego, jak i twardego drewna. Liriodendrony rozeszły się z Drzew Magnolii około 30–50 milionów lat temu, co zbiegło się z szybkim zmniejszeniem zawartości dwutlenku węgla w atmosferze. To może pomóc wyjaśnić dlaczego Dęby Tulipanowe są tak skuteczne w magazynowaniu węgla.”

Zespół podejrzewa, że to większe makrofibryle w tym „drewnie środkowym” lub „drewnie akumulatorowym” stoją za szybkim wzrostem Dębów Tulipanowych.

Łyczakowski dodał: „Oba gatunki Dębu Tulipanowego są znane z wyjątkowej skuteczności w blokowaniu węgla, a ich rozszerzona struktura makrofibrylowa może być adaptacją, która pomaga im łatwiej przechwytywać i magazynować większe ilości węgla w momencie, gdy dostępność dwutlenku węgla w atmosferze była ograniczana.”

„Dęby Tulipanowe mogą okazać się przydatne do sadzenia w celu magazynowania węgla. Niektóre wschodnioazjatyckie kraje już wykorzystują plantacje Liriodendronów do efektywnego blokowania węgla, a teraz myślimy, że może to być związane z jego nową strukturą drewna.”

Liriodendron tulipifera są rodzime dla Ameryki Północnej, a Liriodendron chinense jest gatunkiem rodzimym z centralnych i południowych Chin oraz Wietnamu.

Odkrycie było częścią badania 33 gatunków drzew z Żywej Kolekcji Ogrodu Botanicznego Uniwersytetu Cambridge, które eksplorowało, jak ewoluowała ultrastruktura drewna miękkich (gimnazjów, takich jak sosny i świerki) i twardych (określane angiospermami, w tym dęby, jesion, brzoza i eukaliptus).

Łyczakowski powiedział, „Pomimo jego ważności, niewiele wiemy o tym, jak ewoluuje i dostosowuje się struktura drewna do warunków zewnętrznych. W tym badaniu dokonaliśmy kilku istotnych nowych odkryć — zupełnie nową formę ultrastruktury drewna nigdy dotąd nie zaobserwowaną, oraz rodzinę drzew iglastych z twardym drewnem przypominającym angiospermy zamiast typowego miękkiego drewna dla gimnazjów.”

„Głównymi składnikami drewna są ściany komórkowe wtórne, a to właśnie ich architektura nadaje drewnu gęstość i siłę, na które polegamy przy budowie. Ściany komórkowe wtórne są też największym magazynem węgla w biosferze, co sprawia, że jest jeszcze ważniejsze zrozumienie ich różnorodności, aby rozwijać nasze programy chwytania węgla w celu złagodzenia zmian klimatycznych.”

Ultrastruktura drewna odnosi się do szczegółowej mikroskopowej architektury drewna, obejmującej układ i organizację jego składników. To badanie drewna przy użyciu kriogenicznego mikroskopu skaningowego elektronowego skupiło się na:

Studium ultrastruktury drewna jest kluczowe dla różnych zastosowań, w tym w obróbce drewna, naukach materiałowych oraz zrozumieniu ekologicznych i ewolucyjnych aspektów drzew. Zrozumienie biologii wzrostu drzewa i ich zdolności do magazynowania drewnianych składników jest także ważne przy obliczaniu chwytania węgla.

Próbki drewna zostały pobrane z drzew rosnących w Ogrodzie Botanicznym Uniwersytetu Cambridge we współpracy z Koordynatorką Kolekcji Ogrodu, Margeaux Apple. Świeże próbki drewna zdeponowanego w poprzednim sezonie wzrostu wiosennym zostały pobrane z wybranych drzew, aby odzwierciedlić ewolucyjną historię populacji gimnazjów i angiospermów w miarę rozchodzenia się i ewoluowania.

Kierownik Centrum Mikroskopowego w Sainsbury Laboratory Uniwersytetu w Cambridge, Dr. Raymond Wightman, powiedział: „Analizowaliśmy niektóre z najbardziej znanych drzew na świecie, takie jak gigantyczna sekwoja, sosna Wollemi i tzw. „żywe skamieniałości” jak Amborella trichopoda, która jest jedynym zachowanym gatunkiem z rodziny roślin, która była najwcześniejszą istniejącą grupą, która wyewoluowała oddzielnie od wszystkich innych roślin kwiatowych.

„Nasze dane z badania dostarczyły nam nowych spostrzeżeń na temat związków ewolucyjnych między nanostrukturą drewna a składem ściany komórkowej, które różnią się w linieach roślin okrytonasiennych i nagonasiennych. Ściany komórkowe okrytonasiennych posiadają charakterystyczne węższe jednostki elementarne, zwane makrofibrylami, w porównaniu do nagonasiennych, a ten mały makrofibryl pojawił się po oddzieleniu od przodka Amborella trichopoda.

„Lyczakowski i Wightman analizowali również makrofibryle ściany komórkowej dwóch roślin nagonasiennych należących do rodziny gymnospermów—Gnetum gnemon i Gnetum edule—i potwierdzili, że obie posiadają ultrastrukturę wtórną ściany komórkowej tożsamą z budową ściany komórkowej twardego drewna u okrytonasiennych.

Jest to przykład ewolucji zbieżnej, gdzie gymnospermy niezależnie ewoluowały strukturę typu twardego drewna, normalnie widzianą tylko u okrytonasiennych.

Badanie to zostało przeprowadzone podczas skwaru, gdy Wielka Brytania przeżywała 4. najcieplejsze lato odnotowane kiedykolwiek w 2022 r.

„Myślimy, że może to być największe badanie, wykorzystujące mikroskop krioelektronowy, dotyczące roślin drzewiastych, które kiedykolwiek przeprowadzono,” powiedział Wightman.

„Było to możliwe dzięki przeprowadzeniu tak obszernego badania o świeżych, uwodnionych drewnie, ponieważ Sainsbury Lab znajduje się na terenie Ogrodu Botanicznego Uniwersytetu w Cambridge. Zebraliśmy wszystkie próbki w trakcie lata 2022 r.—zbierając wczesnym rankiem, zamrażając próbki w ultra zimnym ciekłym azocie, a następnie obrazując próbki aż do północy.

„To badanie ilustruje ciągłą wartość i wpływ, jakie ogrody botaniczne mają na współczesne badania. Ten studium nie byłoby możliwe bez posiadania tak zróżnicowanego wyboru roślin reprezentowanych przez czas ewolucji, wszystkie rosnące razem w tym samym miejscu w Kolekcjach Ogrodu Botanicznego Uniwersytetu w Cambridge.”

Więcej informacji: Jan J Lyczakowski i Raymond Wightman, Convergent and adaptive evolution drove change of secondary cell wall ultrastructure in extant lineages of seed plants, New Phytologist (2024). DOI: 10.1111/nph.19983

Wszystkie obrazy z badania drewna w cryo-SEM są publicznie dostępne w tym repozytorium Mendeley.

Informacje o czasopiśmie: New Phytologist

Dostarczone przez University of Cambridge