Учёные открыли совершенно новый тип древесины, эффективно запасающий углерод

Исследователи, изучавшие эволюцию микроструктуры древесины у знаменитых деревьев и кустарников, обнаружили совершенно новый её тип. Это открытие может улучшить связывание углерода в лесных плантациях.

Исследование показало, что у тюльпанного дерева (Liriodendron), родственного магнолиям, уникальная древесина, не относящаяся ни к твёрдым, ни к мягким породам.

Учёные из Ягеллонского университета и Кембриджского университета использовали криогенный сканирующий электронный микроскоп (cryo-SEM) для изучения наноархитектуры вторичных клеточных стенок (древесины) в естественном гидратированном состоянии.

Они обнаружили, что у двух сохранившихся видов древнего рода Liriodendron — тюльпанного дерева (Liriodendron tulipifera) и китайского тюльпанного дерева (Liriodendron chinense) — макрофибриллы (длинные волокна в слоях вторичной клеточной стенки) значительно крупнее, чем у их родственников-твердолиственных пород.

Ведущий автор исследования, опубликованного в New Phytologist, доктор Ян Лычаковский заявил: «Мы показали, что у Liriodendron промежуточная структура макрофибрилл, существенно отличающаяся от структуры как мягких, так и твёрдых пород. Liriodendron отделился от магнолий около 30–50 миллионов лет назад, что совпало с быстрым снижением содержания CO₂ в атмосфере. Это может объяснить, почему тюльпанные деревья так эффективно запасают углерод».

Учёные полагают, что именно более крупные макрофибриллы в этой «промежуточной» или «аккумуляторной» древесине обеспечивают быстрый рост тюльпанных деревьев.

Лычаковский добавил: «Оба вида тюльпанного дерева исключительно эффективно связывают углерод. Их увеличенная структура макрофибрилл могла стать адаптацией для более лёгкого захвата и хранения больших количеств углерода, когда его доступность в атмосфере снижалась. Тюльпанные деревья могут быть полезны для плантаций по улавливанию углерода».

Открытие было сделано в рамках масштабного исследования ультраструктуры древесины 33 видов деревьев из живых коллекций Ботанического сада Кембриджского университета. Изучалась эволюция ультраструктуры у мягких (голосеменные, например, сосны) и твёрдых (покрытосеменные, например, дуб, ясень) пород.

Лычаковский отметил: «Мы сделали ключевые открытия — совершенно новую, ранее не наблюдавшуюся форму ультраструктуры древесины и семейство голосеменных растений с твёрдой древесиной, как у покрытосеменных, вместо типичной мягкой древесины голосеменных. Вторичные клеточные стенки — крупнейшее хранилище углерода в биосфере. Понимание их разнообразия критически важно для программ по улавливанию углерода».

Ультраструктура древесины

Исследование с помощью cryo-SEM было сосредоточено на:

• Вторичной клеточной стенке: состоит в основном из целлюлозы, других сложных сахаров и пропитана лигнином для жёсткости. Эти компоненты формируют макрофибриллы.
• Макрофибрилле: наименьшая структура, измеряемая с помощью cryoSEM (10–40 нанометров). Состоит из целлюлозных микрофибрилл (3–4 нм) и других компонентов.

Изучение ультраструктуры важно для обработки древесины, материаловедения, экологии и понимания биологии роста деревьев и депонирования углерода.

Исследование в Ботаническом саду

Образцы свежей древесины, отложенной в предыдущий весенний сезон роста, были собраны с деревьев, отражающих эволюционную историю голосеменных и покрытосеменных растений.

Менеджер Центра микроскопии в Лаборатории Сэйнсбери Кембриджского университета доктор Рэймонд Уайтман сказал: «Мы проанализировали всемирно известные деревья, такие как гигантская секвойя, воллемия и "живые ископаемые" вроде Amborella trichopoda. Наши данные дали новое понимание эволюционных взаимосвязей между наноструктурой древесины и составом клеточной стенки».

Лычаковский и Уайтман также подтвердили, что два растения из семейства гнетовых (Gnetum gnemon и Gnetum edule) имеют ультраструктуру вторичной клеточной стенки, характерную для твёрдой древесины покрытосеменных. Это пример конвергентной эволюции.

Исследование проводилось летом 2022 года. Уайтман отметил: «Мы считаем, что это крупнейшее из когда-либо проведённых исследований древесных растений с помощью крио-электронного микроскопа. Оно было возможно только благодаря расположению Лаборатории Сэйнсбери на территории Ботанического сада. Это исследование иллюстрирует непреходящую ценность ботанических садов для современной науки».