Wissenschaftler entdecken völlig neue Holzart, die hocheffizient Kohlenstoff speichern könnte

Forscher, die eine evolutionäre Untersuchung der mikroskopischen Struktur des Holzes einiger der berühmtesten Bäume und Sträucher der Welt vornahmen, haben eine völlig neue Holzart entdeckt.

Diese Entdeckung könnte neue Möglichkeiten eröffnen, die Kohlenstoffbindung in Plantagenwäldern durch die Anpflanzung eines schnell wachsenden Baumes zu verbessern, der normalerweise in Ziergärten zu finden ist.

Die Studie ergab, dass Tulpenbäume, die mit den Magnolien verwandt sind und weit über 30 Meter hoch werden können, eine einzigartige Holzart besitzen, die weder in die Kategorie der Harthölzer noch in die der Weichhölzer passt.

Wissenschaftler der Jagiellonen-Universität und der Universität Cambridge verwendeten ein Niedertemperatur-Rasterelektronenmikroskop (Kryo-SEM), um die Nanoarchitektur sekundärer Zellwände (Holz) in ihrem natürlichen hydratisierten Zustand abzubilden.

Die Forscher stellten fest, dass die beiden überlebenden Arten der alten Gattung Liriodendron, die gemeinhin als Tulpenbaum (Liriodendron tulipifera) und Chinesischer Tulpenbaum (Liriodendron chinense) bekannt sind, viel größere Makrofibrillen besitzen als ihre Hartholzverwandten (Makrofibrillen sind lange, in Schichten angeordnete Fasern in der sekundären Zellwand).

Hauptautor der Studie veröffentlicht in Neuer PhytologeDr. Jan Łyczakowski von der Jagiellonen-Universität sagte: „Wir zeigen, dass Liriodendron eine intermediäre Makrofibrillenstruktur haben, die sich deutlich von der Struktur von Nadel- oder Hartholz unterscheidet. Liriodendron hat sich vor etwa 30–50 Millionen Jahren von Magnolienbäumen abgespalten, was mit einer raschen Verringerung des CO2-Gehalts in der Atmosphäre zusammenfiel. Dies könnte helfen zu erklären, warum Tulpenbäume so effektiv Kohlenstoff speichern.“

Das Team vermutet, dass die größeren Makrofibrillen in diesem „Mittelholz“ oder „Akkumulatorholz“ für das schnelle Wachstum der Tulpenbäume verantwortlich sind.

Łyczakowski fügte hinzu: „Beide Tulpenbaumarten sind dafür bekannt, dass sie Kohlenstoff außergewöhnlich effizient binden können. Ihre vergrößerte Makrofibrillenstruktur könnte eine Anpassung sein, die ihnen hilft, größere Mengen Kohlenstoff leichter aufzunehmen und zu speichern, wenn die Verfügbarkeit von Kohlenstoff in der Atmosphäre abnimmt.“

„Tulpenbäume könnten sich als nützlich für Plantagen zur Kohlenstoffbindung erweisen. Einige ostasiatische Länder nutzen bereits Liriodendron-Plantagen, um Kohlenstoff effizient zu binden, und wir glauben nun, dass dies mit der neuartigen Holzstruktur zusammenhängen könnte.“

Liriodendron tulipifera sind in Nordamerika heimisch und Liriodendron chinense ist eine in Zentral- und Südchina sowie Vietnam heimische Art.

Die Entdeckung war Teil einer Untersuchung von 33 Baumarten aus dem Botanischen Garten der Universität Cambridge. Living-Kollektionen Erforschung der Entwicklung der Holz-Ultrastruktur bei Nadelhölzern (Nacktsamer wie Kiefern und Nadelbäume) und Laubhölzern (Bedecktsamer wie Eiche, Esche, Birke und Eukalyptus).

Łyczakowski sagte: „Trotz ihrer Bedeutung wissen wir wenig darüber, wie sich die Struktur von Holz entwickelt und an die äußere Umgebung anpasst. Wir haben bei dieser Untersuchung einige wichtige neue Entdeckungen gemacht – eine völlig neuartige Form der Holz-Ultrastruktur, die noch nie zuvor beobachtet wurde, und eine Familie von Nacktsamern mit angiospermenartigem Hartholz anstelle des für Nacktsamer typischen Weichholzes.

„Die Hauptbausteine ​​des Holzes sind die sekundären Zellwände, und es ist die Architektur dieser Zellwände, die dem Holz seine Dichte und Festigkeit verleiht, auf die wir beim Bauen angewiesen sind. Sekundäre Zellwände sind außerdem der größte Kohlenstoffspeicher in der Biosphäre, weshalb es umso wichtiger ist, ihre Vielfalt zu verstehen, um unsere Programme zur Kohlenstoffbindung voranzutreiben und so zur Eindämmung des Klimawandels beizutragen.“

Holz-Ultrastruktur

Die Ultrastruktur von Holz bezieht sich auf die detaillierte mikroskopische Architektur von Holz, die die Anordnung und Organisation seiner Materialkomponenten umfasst. Diese Untersuchung von Holz mithilfe eines Kryo-Rasterelektronenmikroskops konzentrierte sich auf:

Das Studium der Ultrastruktur von Holz ist für verschiedene Anwendungen von entscheidender Bedeutung, darunter die Holzverarbeitung, die Materialwissenschaft und das Verständnis der ökologischen und evolutionären Aspekte von Bäumen. Das Verständnis der Biologie hinter Baumwachstum und Holzablagerung ist auch bei der Berechnung der Kohlenstoffbindung wertvolle Information.

Die Lebenden Sammlungen des Botanischen Gartens der Universität Cambridge

Die Holzproben wurden in Zusammenarbeit mit der Sammlungskoordinatorin des Gartens, Margeaux Apple, von Bäumen im Botanischen Garten der Universität Cambridge gesammelt. Frische Holzproben, die in der vorherigen Frühlingswachstumssaison abgelagert wurden, wurden von einer Auswahl von Bäumen gesammelt, um die Evolutionsgeschichte von Gymnospermen- und Angiospermenpopulationen während ihrer Divergenz und Entwicklung widerzuspiegeln.

Dr. Raymond Wightman, Leiter der Einrichtung für Mikroskopie am Sainsbury Laboratory der Universität Cambridge, sagte: „Wir haben einige der berühmtesten Bäume der Welt analysiert, wie den Riesenmammutbaum, die Wollemie-Kiefer und sogenannte „lebende Fossilien“ wie Amborella trichopodadie einzige noch existierende Art einer Pflanzenfamilie, die als erste noch existierende Gruppe getrennt von allen anderen Blütenpflanzen entstand.

„Unsere Untersuchungsdaten haben uns neue Einblicke in die evolutionären Beziehungen zwischen der Nanostruktur des Holzes und der Zellwandzusammensetzung gegeben, die sich zwischen den Linien der Angiospermen und Gymnospermen unterscheidet. Die Zellwände der Angiospermen besitzen im Vergleich zu Gymnospermen charakteristische schmalere Elementareinheiten, sogenannte Makrofibrillen, und diese kleine Makrofibrille entstand nach der Divergenz von der Amborella trichopoda Vorfahr.“

Lyczakowski und Wightman analysierten auch die Zellwand-Makrofibrillen von zwei Gymnospermen-Pflanzen aus der Familie der Gnetophyten:Gnetum gnemon und Gnetum edule – und es wurde bestätigt, dass beide eine sekundäre Zellwand-Ultrastruktur aufweisen, die mit den Hartholz-Zellwandstrukturen der Angiospermen identisch ist.

Dies ist ein Beispiel konvergenter Evolution, bei der die Gnetophyten unabhängig voneinander eine hartholzartige Struktur entwickelt haben, die normalerweise nur bei Angiospermen vorkommt.

Die Umfrage wurde durchgeführt, während das Vereinigte Königreich im Jahr 2022 unter dem viertheißesten Sommer aller Zeiten litt.

„Wir glauben, dass dies die größte Untersuchung von Gehölzen sein könnte, die jemals mit einem Kryo-Elektronenmikroskop durchgeführt wurde“, sagte Wightman.

„Eine so umfangreiche Untersuchung von frischem, hydratisiertem Holz war nur möglich, weil sich das Sainsbury Lab auf dem Gelände des Botanischen Gartens der Universität Cambridge befindet. Wir sammelten alle Proben im Sommer 2022 – wir sammelten sie am frühen Morgen, froren die Proben in ultrakaltem Stickstoff ein und bildeten sie dann bis Mitternacht ab.

„Diese Forschung veranschaulicht den anhaltenden Wert und Einfluss, den botanische Gärten auf die moderne Forschung haben. Diese Studie wäre nicht möglich, ohne eine so vielfältige Auswahl an Pflanzen aus der gesamten Evolutionszeit, die alle zusammen am selben Ort in den Sammlungen des Botanischen Gartens der Universität Cambridge wachsen.“