New Phytologist: Открыта новая порода древесины, эффективно хранящая углерод

Учёные исследовали, как устроены деревья изнутри. Они обнаружили новый вид древесины у некоторых известных деревьев и кустарников.

Это открытие может помочь лучше сохранять углерод в лесах, если посадить быстрорастущее дерево, которое часто используют для украшения садов.

Учёные из Ягеллонского и Кембриджского университетов исследовали тюльпановые деревья. Эти деревья похожи на магнолии и могут вырастать очень высокими — больше 30 метров.

Исследователи использовали специальный микроскоп, чтобы рассмотреть структуру древесины этих деревьев (на фото). Они выяснили, что древесина у них особенная: она не похожа ни на твёрдые, ни на мягкие породы дерева.

Исследователи выяснили, что два вида древнего рода Liriodendron — Тюльпановое и Китайское тюльпановое дерево — имеют более крупные макрофибриллы, чем их лиственные сородичи. Макрофибриллы — это волокна в слоях вторичной клеточной стенки.

Доктор Ян Лычаковски из Ягеллонского университета, автор исследования, опубликованного в журнале New Phytologist, отметил, что структура макрофибрилл у лириодендронов отличается от хвойных и лиственных пород. Лириодендроны произошли от магнолиевых деревьев 30-50 миллионов лет назад, когда уровень CO₂ в атмосфере быстро снижался. Это может объяснить способность тюльпановых деревьев накапливать углерод.

Команда считает, что быстрый рост Тюльпановых деревьев связан с более крупными макрофибриллами в их древесине.

Лычаковски добавил, что оба вида Тюльпановых деревьев известны своей способностью связывать углерод. Увеличенная структура макрофибрилл помогает им захватывать и хранить большие объёмы углерода при его нехватке в атмосфере. Это делает Тюльпановые деревья полезными для плантаций по улавливанию углерода. Некоторые страны Восточной Азии уже используют плантации Liriodendron для эффективного связывания углерода, и теперь мы думаем, что это может быть связано с новой структурой древесины.

Liriodendron tulipifera растёт в Северной Америке, а Liriodendron chinense — в Китае и Вьетнаме.

Это стало известно в ходе исследования 33 видов деревьев из Ботанического сада Кембриджского университета. Учёные изучали, как устроена древесина мягких (сосны и хвойные) и твёрдых (дуб, ясень, берёза и эвкалипт) деревьев.

Лычаковски отметил, что мы мало знаем о том, как структура древесины адаптируется к внешней среде. В этом исследовании были сделаны два важных открытия:

• совершенно новая форма ультраструктуры древесины;
• семейство гимноспермов с твёрдой древесиной, похожей на ангиоспермоподобную, вместо типичной для гимноспермов мягкой древесины.

Вторичные клеточные стенки — основные строительные блоки древесины. Их архитектура придаёт древесине плотность и прочность. Также вторичные клеточные стенки являются крупнейшим хранилищем углерода в биосфере. Поэтому понимание их разнообразия важно для смягчения последствий изменения климата.

Ультраструктура древесины

Ультраструктура древесины — это её микроскопическая архитектура, включающая расположение и организацию компонентов.

1. С помощью криосканирующего электронного микроскопа исследователи изучили вторичную клеточную стенку, которая состоит из целлюлозы и других сложных сахаров и пропитана лигнином для придания жёсткости. Эти компоненты образуют длинные волокна, расположенные слоями внутри вторичной клеточной стенки.
2. Макрофибрилла — самая маленькая структура, которую можно измерить с помощью криоСЭМ. Её толщина составляет порядка 10-40 нанометров. Она состоит из микрофибрилл целлюлозы (3-4 нанометра) и других компонентов.

Изучение строения древесины важно для деревообработки, материаловедения и понимания экологических и эволюционных аспектов деревьев.

Понимание того, как растёт древесина, полезно для расчёта улавливания углерода.

Ботанический сад Кембриджского университета

Образцы древесины были собраны в Ботаническом саду Кембриджского университета под руководством координатора коллекций сада Марджо Эппл. Образцы представляют собой древесину, образованную весной, нескольких деревьев, что позволяет изучить историю эволюции хвойных и цветковых растений.

Доктор Раймонд Уайтман из Лаборатории Сэйнсбери Кембриджского университета рассказал, что они исследовали некоторые известные виды деревьев, такие как гигантская секвойя и сосна Воллеми, а также «живое ископаемое» Amborella trichopoda — единственный сохранившийся вид семейства растений, которое развивалось отдельно от всех других цветковых растений.

Наше исследование показало, как связаны наноструктура древесины и состав клеточной стенки у разных растений. У ангиоспермов клеточные стенки устроены сложнее: их элементарные единицы — макрофибриллы — меньше, чем у гимноспермов. А возникли они после того, как от общего предка Amborella trichopoda пошли две разные линии растений.

Личаковски и Уайтман выяснили, что у двух растений из семейства гнетофитовых — Gnetum gnemon и Gnetum edule — структура клеточной стенки похожа на структуру твёрдой древесины ангиоспермовых. Это пример конвергентной эволюции: растения независимо друг от друга развили подобную структуру.

Учёные провели исследование древесины с помощью криоэлектронного микроскопа. Они собрали образцы летом 2022 года, когда в Великобритании было очень жарко. Образцы собирали ранним утром, замораживали и исследовали до полуночи.

Вайтман отметил, что это самое крупное подобное исследование. Провести его стало возможным благодаря лаборатории Сэйнсбери, которая находится на территории ботанического сада Кембриджского университета.

Это исследование было бы невозможно без коллекции растений Ботанического сада Кембриджского университета, в которой собраны разнообразные виды растений, представляющие разные периоды эволюции.

31.07.2024