Badania nad tulipanowcami pozwoliły zidentyfikować nową strukturę drewna o znacznym potencjale wychwytywania dwutlenku węgla, co sugeruje ich zastosowanie na plantacjach pochłaniających dwutlenek węgla ze względu na ich szybki wzrost i wyjątkowe właściwości drewna.
Prowadząc ewolucyjne badania mikroskopowej struktury drewna niektórych z najbardziej znanych drzew i krzewów świata, naukowcy z Uniwersytetu Jagiellońskiego i Uniwersytetu w Cambridge odkryli zupełnie nowy rodzaj drewna. Odkryli, że tulipany, krewni magnolii, które mogą osiągnąć ponad 30 metrów wysokości, mają unikalny rodzaj drewna, który nie pasuje do żadnej kategorii drewna twardego ani miękkiego.
To przełomowe odkrycie może otworzyć nowe możliwości poprawy sekwestracji dwutlenku węgla w lasach plantacyjnych poprzez sadzenie szybko rosnącego drzewa, częściej spotykanego w ogrodach ozdobnych.
Nowatorskie odkrycia dotyczące struktury drewna
W badaniu opublikowanym niedawno w Nowy fitolognaukowcy wykorzystali niskotemperaturowy skaningowy mikroskop elektronowy (krio-SEM) do zobrazowania nanoskala architektura wtórnych ścian komórkowych (drewno) w ich natywnym stanie uwodnionym.
Znaleźli dwóch, którzy przeżyli gatunek starożytnego Liriodendron rodzaj, powszechnie znany jako drzewo tulipanowe (Liriodendron tulipifera) i chińskie tulipanowce (Liriodendron chiński) mają znacznie większe makrofibryle niż ich odpowiedniki z twardego drewna (makrofibryle to długie włókna ułożone warstwowo w wtórnej ścianie komórkowej).
Implikacje dla wychwytywania dwutlenku węgla
Główny autor dr Jan Łyczakowski z Uniwersytetu Jagiellońskiego powiedział: „Pokazujemy Liriodendrony mają pośrednią strukturę makrofibryli, która znacznie różni się od struktury drewna iglastego lub twardego. Liriodendrony oddzielił się od drzew magnolii około 30–50 milionów lat temu, co zbiegło się z szybką redukcją atmosferycznego CO2. To może pomóc wyjaśnić, dlaczego tulipanowce są bardzo skuteczne w magazynowaniu dwutlenku węgla.
Zespół podejrzewa, że za szybkim wzrostem tulipanów odpowiadają większe mikrofibryle w tym „drewnie środkowym” lub „drewnie akumulatorowym”.
Łyczakowski dodał: „Wiadomo, że oba gatunki tulipanów są wyjątkowo skuteczne w zatrzymywaniu węgla, a ich powiększona struktura makrofibryli może być adaptacją ułatwiającą im wychwytywanie i magazynowanie większych ilości węgla, gdy zmniejsza się dostępność węgla atmosferycznego. Drzewa tulipanów mogą okazać się przydatne na plantacjach wychwytujących dwutlenek węgla. Niektóre kraje Azji Wschodniej już z tego korzystają Liriodendron plantacje skutecznie zatrzymują węgiel i obecnie uważamy, że może to być związane z nowatorską strukturą drewna”.
Liriodendron tulipifera pochodzą z Ameryki Północnej i Liriodendron chińskito gatunek rodzimy dla środkowych i południowych Chin oraz Wietnamu.
Ewolucyjne spostrzeżenia z Ogrodu Botanicznego Uniwersytetu Cambridge
Odkrycie było częścią badania 33 gatunków drzew z Ogród Botaniczny Uniwersytetu Cambridge’S Żywe Kolekcje badanie ewolucji ultrastruktury drewna w drewnie miękkim (nagonasienne, takie jak sosny i drzewa iglaste) i drewnie liściastym (okrytozalążkowe, w tym dąb, jesion, brzoza i eukaliptus).
Łyczakowski powiedział: „Mimo jego znaczenia, niewiele wiemy o tym, jak struktura drewna ewoluuje i dostosowuje się do środowiska zewnętrznego. W ramach tego badania dokonaliśmy kilku kluczowych nowych odkryć – całkowicie nowej formy ultrastruktury drewna, której nigdy wcześniej nie obserwowaliśmy, oraz rodziny nagonasiennych z twardym drewnem okrytozalążkowym zamiast typowego drewna iglastego nagonasiennego.
„Głównymi cegiełkami drewna są wtórne ściany komórkowe i to właśnie architektura tych ścian komórkowych nadaje drewnu jego gęstość i wytrzymałość, na których polegamy w budownictwie. Wtórne ściany komórkowe są także największym magazynem węgla w biosferze, co sprawia, że zrozumienie ich różnorodności staje się jeszcze ważniejsze w celu wspierania naszych programów wychwytywania dwutlenku węgla, aby pomóc złagodzić zmiany klimatyczne.
Ultrastruktura drewna
Ultrastruktura drewna odnosi się do szczegółowej mikroskopowej architektury drewna, obejmującej układ i organizację jego materialnych składników. Niniejsze badanie drewna przy użyciu krioskanerowego mikroskopu elektronowego skupiało się na:
- Wtórna ściana komórkowa: Składa się głównie z celulozy i innych cukrów złożonych i jest impregnowany ligniną, aby cała struktura była sztywna. Składniki te składają się na makrofibryle, tworząc długie, ułożone włókna, które są ułożone w odrębne warstwy w obrębie wtórnej ściany komórkowej.
- Makrofibryla: Jest to obecnie najmniejsza struktura, jaką możemy zmierzyć za pomocą CryoSEM, a jej grubość wynosi 10–40 nanometrów. Składa się z mikrofibryli celulozowych (3-4 nanometrów) i innych składników.
Badanie ultrastruktury drewna ma kluczowe znaczenie dla różnych zastosowań, w tym obróbki drewna, materiałoznawstwa oraz zrozumienia ekologicznych i ewolucyjnych aspektów drzew. Zrozumienie biologii wzrostu drzew i odkładania się drewna jest również cenną informacją przy obliczaniu wychwytywania dwutlenku węgla.
Próbki drewna pobrano z drzew w Ogrodzie Botanicznym Uniwersytetu Cambridge we współpracy z koordynatorką ds. zbiorów ogrodowych, Margeaux Apple. Z wybranych drzew pobrano świeże próbki drewna zdeponowane w poprzednim wiosennym sezonie wegetacyjnym, aby odzwierciedlić ewolucyjną historię populacji nagonasiennych i okrytozalążkowych w miarę ich różnicowania się i ewolucji.
Kierownik obiektu Microscopy Core Facility w Sainsbury Laboratory na Uniwersytecie w Cambridge, dr Raymond Wightman, powiedział: „Przeanalizowaliśmy niektóre z najbardziej znanych drzew świata, takie jak gigantyczna sekwoja, sosna Wollemi i tak zwane „żywe skamieliny”, takie jak Amborella Trichopoda który jest jedynym zachowanym gatunkiem z rodziny roślin, która była najwcześniejszą wciąż istniejącą grupą, która ewoluowała oddzielnie od wszystkich innych roślin kwiatowych.
„Dane z naszego badania dały nam nowy wgląd w ewolucyjne powiązania między nanostrukturą drewna a składem ściany komórkowej, który różni się w zależności od linii rodowych roślin okrytonasiennych i nagonasiennych. Ściany komórkowe okrytonasiennych posiadają charakterystyczne węższe jednostki elementarne, zwane makrofibrylami, w porównaniu do nagonasiennych i te małe makrofibryle wyłoniły się po oddzieleniu się od Amborella Trichopoda przodek.”
Łyczakowski i Wightman analizowali także makrofibryle ściany komórkowej dwóch roślin nagonasiennych z rodziny Gnetophytes –Gnetum gnemon IGnetum edule– i potwierdzono, że oba mają ultrastrukturę wtórnej ściany komórkowej, która jest synonimem struktury ściany komórkowej twardego drewna u okrytozalążkowych.
Jest to przykład zbieżnej ewolucji, w której Gnetofity niezależnie wyewoluowały strukturę przypominającą drewno liściaste, zwykle spotykaną tylko u roślin okrytozalążkowych.
Badanie przeprowadzono, gdy w Wielkiej Brytanii panowały upały poniżej 4t najgorętsze w historii lato 2022 r.
„Uważamy, że może to być największe w historii badanie roślin drzewiastych przy użyciu mikroskopu krioelektronowego” – powiedział Wightman. „Przeprowadzenie tak dużych badań świeżego, uwodnionego drewna było możliwe tylko dlatego, że laboratorium Sainsbury znajduje się na terenie Ogrodu Botanicznego Uniwersytetu Cambridge. Wszystkie próbki zebraliśmy latem 2022 r. – wczesnym rankiem, zamrożono je w ultrazimnym azocie błotnistym, a następnie obrazowano próbki aż do północy.
„To badanie ilustruje ciągłą wartość i wpływ, jaki ogrody botaniczne mają na wkład we współczesne badania. To badanie nie byłoby możliwe bez tak różnorodnej selekcji roślin reprezentowanych na przestrzeni ewolucji, a wszystkie rosnące razem w tym samym miejscu w zbiorach Ogrodu Botanicznego Uniwersytetu w Cambridge.”
Odniesienie: „Ewolucja zbieżna i adaptacyjna spowodowała zmianę ultrastruktury wtórnej ściany komórkowej w istniejących liniach roślin nasiennych” autorstwa Jana J. Łyczakowskiego i Raymonda Wightmana, 30 lipca 2024 r., Nowy fitolog.
DOI: 10.1111/nph.19983
Finansowanie: Badanie zostało wsparte grantami Narodowego Centrum Nauki i Fundacji Charytatywnej Gatsby.
