Исследователи, проводящие эволюционное исследование микроскопической структуры древесины некоторых из самых известных деревьев и кустарников мира, обнаружили совершенно новый тип древесины. Это открытие может предоставить новые возможности для улучшения улавливания углерода в лесных плантациях путем посадки быстрорастущего дерева, которое чаще встречается в декоративных садах. Исследование показало, что тюльпановые деревья, которые являются родственниками магнолий и могут достигать высоты более 30 метров, имеют уникальный тип древесины, не вписывающийся ни в одну из категорий лиственных, ни в одну из категорий хвойных пород.
эксклюзив 🔹
Ученые из Ягеллонского университета и Кембриджского университета использовали низкотемпературный сканирующий электронный микроскоп (крио-СЭМ) для получения изображений наномасштабной архитектуры вторичных клеточных стенок (древесины) в их естественном гидратированном состоянии.
Исследователи обнаружили, что два сохранившихся вида древнего рода Liriodendron, широко известные как тюльпановое дерево (Liriodendron tubulipera) и китайское тюльпановое дерево (Liriodendron chinense), имеют гораздо более крупные макрофибриллы, чем их лиственные сородичи (макрофибриллы представляют собой длинные волокна, выстроенные слоями во вторичной клеточной стенке), сообщает в релизе Кембриджский университет.
Ведущий автор исследования, опубликованного в New Phytologist, доктор Ян Дж. Лычаковски из Ягеллонского университета, сказал: «Мы показываем, что лириодендроны имеют промежуточную макрофибриллярную структуру, которая существенно отличается от структуры как мягкой, так и твердой древесины. Лириодендроны отделились от магнолий около 30–50 миллионов лет назад, что совпало с быстрым сокращением содержания CO2 в атмосфере. Это может помочь объяснить, почему тюльпановые деревья столь эффективны в хранении углерода».
Команда полагает, что именно более крупные макрофибриллы в этой «срединной древесине» или «древесине-аккумуляторе» ответственны за быстрый рост тюльпановых деревьев.
Лириодендрон тюльпановый произрастает в Северной Америке, а лириодендрон китайский — это местный вид, произрастающий в центральном и южном Китае и Вьетнаме.
Тюльпановое дерево (Liriodendron tubulifera) возвышается над своими соседями в Ботаническом саду Кембриджского университета. Это тюльпановое дерево внесено в список деревьев-чемпионов в The Tree Register of The British Isles. Деревья-чемпионы — это либо самые высокие деревья, либо деревья с самой большой окружностью ствола (обхватом) среди деревьев своего типа в базе данных из более чем 80 000 деревьев-чемпионов, перечисленных в реестре. Автор фото: Говард Райс.
Лычаковски добавил: «Оба вида тюльпанового дерева известны своей исключительной эффективностью в связывании углерода, а их увеличенная макрофибриллярная структура может быть адаптацией, помогающей им легче захватывать и хранить большие объемы углерода, когда доступность углерода в атмосфере снижается. Тюльпановые деревья могут оказаться полезными для плантаций по улавливанию углерода. Некоторые страны Восточной Азии уже используют плантации лириодендрона для эффективного улавливания углерода, и теперь мы думаем, что это может быть связано с его оригинальной структурой древесины».
Ультраструктура древесины тюльпанового дерева (Liriodendron tubulifera), амбореллы (Amborella trichopoda) и пихты съедобной (Gnetum edule) при увеличении x1000 и x50000 под криоСЭМ (сканирующая электронная криомикроскопия). Клетки древесины и клеточные стенки видны при меньшем увеличении. Макрофибриллы видны при большем увеличении. Авторы фото: Ян Дж. Личаковски и Рэймонд Уайтман.
Открытие стало частью исследования 33 видов деревьев из живых коллекций Ботанического сада Кембриджского университета, в ходе которого изучалась эволюция ультраструктуры древесины хвойных пород (голосеменные, такие как сосны и хвойные) и лиственных пород (покрытосеменные, такие как дуб, ясень, береза и эвкалипты).
Лычаковски сказал: «Несмотря на свою важность, мы мало знаем о том, как структура древесины развивается и адаптируется к внешней среде. В этом исследовании мы сделали несколько важных новых открытий, включая совершенно новую форму ультраструктуры древесины, никогда ранее не наблюдавшуюся. Основными строительными блоками древесины являются вторичные клеточные стенки, и именно архитектура этих клеточных стенок придает древесине плотность и прочность, на которые мы полагаемся при строительстве. Вторичные клеточные стенки также являются крупнейшим хранилищем углерода в биосфере, что делает еще более важным понимание их разнообразия для дальнейшего развития наших программ по улавливанию углерода, которые помогут смягчить последствия изменения климата».
Ультраструктура древесины относится к детальной микроскопической архитектуре древесины, охватывающей расположение и организацию ее материальных компонентов.
Это исследование древесины с использованием криосканирующего электронного микроскопа сосредоточено на:
1.Вторичная клеточная стенка: состоит в основном из целлюлозы и других сложных сахаров и пропитана лигнином, что делает всю структуру жесткой. Эти компоненты составляют макрофибриллу, образуя длинные выровненные волокна, которые расположены в отдельных слоях внутри вторичной клеточной стенки.
2.Макрофибрилла: в настоящее время это самая маленькая структура, которую мы можем измерить с помощью криоСЭМ (сканирующая электронная криомикроскопия), ее толщина составляет порядка 10–40 нанометров. Она состоит из микрофибрилл целлюлозы (3–4 нанометра) и других компонентов.
Изучение ультраструктуры древесины имеет решающее значение для различных приложений, включая обработку древесины, материаловедение и понимание экологических и эволюционных аспектов деревьев. Понимание биологии роста деревьев и отложения древесины также является ценной информацией при расчете улавливания углерода.
Образцы древесины были собраны с деревьев в Ботаническом саду Кембриджского университета совместно с координатором коллекций сада Марго Эппл. Свежие образцы древесины, отложенные в предыдущий весенний вегетационный период, были собраны с выбранных деревьев, чтобы отразить эволюционную историю популяций голосеменных и покрытосеменных растений по мере их расхождения и развития.
Руководитель основного отделения микроскопии в лаборатории Сейнсбери Кембриджского университета доктор Рэймонд Уайтман сказал: «Мы проанализировали некоторые из самых известных деревьев в мире, такие как гигантская секвойя, сосна Воллеми и так называемые «живые ископаемые», такие как Амборелла волосистоножковая — Amborella trichopoda, которая является единственным сохранившимся видом семейства растений, являющегося самой ранней из сохранившихся групп, эволюционировавших отдельно от всех других цветковых растений. Данные нашего исследования дали нам новое представление об эволюционных связях между наноструктурой древесины и составом клеточной стенки, который различается в разных линиях покрытосеменных и голосеменных растений. Клеточные стенки покрытосеменных обладают характерными более узкими элементарными единицами, называемыми макрофибриллами, по сравнению с голосеменными, и эта небольшая макрофибрилла возникла после расхождения с предком Amborella trichopoda».
Лычаковски и Уайтман также проанализировали макрофибриллы клеточной стенки двух голосеменных растений семейства гнетофитов — Gnetum gnemon и Gnetum edule — и подтвердили, что оба растения имеют вторичную ультраструктуру клеточной стенки, синонимичную структурам клеточной стенки лиственных пород покрытосеменных растений. Это пример конвергентной эволюции, в ходе которой гнетофиты независимо друг от друга развили структуру, напоминающую твердую древесину, обычно встречающуюся только у покрытосеменных растений.
«Мы считаем, что это может быть самое масштабное исследование древесных растений с использованием криоэлектронного микроскопа, когда-либо проводившееся. Провести столь масштабное исследование свежей гидратированной древесины стало возможным только потому, что лаборатория Сэйнсбери расположена на территории Ботанического сада Кембриджского университета. Мы собрали все образцы летом 2022 года — собирали их ранним утром, замораживали в сверххолодном азоте, а затем делали снимки образцов вплоть до полуночи. Это исследование иллюстрирует неизменную ценность и влияние ботанических садов на современные исследования. Это исследование было бы невозможно без такого разнообразного выбора растений, представленных на протяжении всей эволюции, которые все растут вместе в одном месте в коллекциях Ботанического сада Кембриджского университета», — заключил Уайтман.
Источник: University of Cambridge.
На заглавном фото — ультраструктура древесины Liriodendron Tulipifera, наблюдаемая с помощью крио-СЭм, показывает увеличенные макрофибриллярные структуры. Авторы фото: Ян Дж. Личаковски и Рэймонд Уайтман.