Des chercheurs qui entreprennent une étude évolutive de la structure microscopique du bois de certains des arbres et arbustes les plus emblématiques du monde ont découvert un tout nouveau type de bois.
Cette découverte pourrait ouvrir de nouvelles opportunités pour améliorer la séquestration du carbone dans les forêts de plantation en plantant un arbre à croissance rapide plus communément observé dans les jardins d’ornement.
L’étude a révélé que les tulipiers, qui sont apparentés aux magnolias et peuvent atteindre plus de 100 pieds de haut, ont un type de bois unique qui n’entre dans aucune des catégories de bois dur ou de bois tendre.
Des scientifiques de l’Université Jagellonne et de l’Université de Cambridge ont utilisé un microscope électronique à balayage à basse température (cryo-SEM) pour imager l’architecture à l’échelle nanométrique des parois cellulaires secondaires (bois) dans leur état hydraté natif.
Les chercheurs ont découvert que les deux espèces survivantes de l’ancien genre Liriodendron, communément appelé tulipier (Liriodendron tulipifera) et tulipier de Chine (Liriodendron chinense), ont des macrofibrilles beaucoup plus grandes que leurs parents feuillus (les macrofibrilles sont de longues fibres alignées en couches dans la paroi cellulaire secondaire).
Auteur principal de la recherche publiée dans Nouveau phytologueLe Dr Jan Łyczakowski de l’Université Jagellonne a déclaré : « Nous montrons que les Liriodendrons ont une structure macrofibrillaire intermédiaire qui est significativement différente de la structure du bois tendre ou du bois dur. Les Liriodendrons ont divergé des magnolias il y a environ 30 à 50 millions d’années, ce qui a coïncidé avec une réduction rapide du CO2 atmosphérique. Cela pourrait aider à expliquer pourquoi les tulipiers sont très efficaces pour stocker le carbone. »
L’équipe soupçonne que ce sont les macrofibrilles plus grandes de ce « bois intermédiaire » ou « bois accumulateur » qui sont à l’origine de la croissance rapide des tulipiers.
Łyczakowski a ajouté : « Les deux espèces de tulipiers sont connues pour être exceptionnellement efficaces pour piéger le carbone, et leur structure macrofibrille élargie pourrait être une adaptation pour les aider à capturer et stocker plus facilement de plus grandes quantités de carbone lorsque la disponibilité du carbone atmosphérique est réduite.
« Les tulipiers pourraient s’avérer utiles pour les plantations de capture de carbone. Certains pays d’Asie de l’Est utilisent déjà des plantations de Liriodendron pour piéger efficacement le carbone, et nous pensons maintenant que cela pourrait être lié à sa nouvelle structure de bois. »
Liriodendron tulipifera est originaire d’Amérique du Nord et Liriodendron chinense est une espèce originaire du centre et du sud de la Chine et du Vietnam.
Cette découverte fait partie d’une étude portant sur 33 espèces d’arbres du jardin botanique de l’université de Cambridge. Collections vivantes explorer comment l’ultrastructure du bois a évolué chez les résineux (gymnospermes tels que les pins et les conifères) et les feuillus (angiospermes dont le chêne, le frêne, le bouleau et les eucalyptus).
Selon Łyczakowski, « malgré son importance, nous savons peu de choses sur la façon dont la structure du bois évolue et s’adapte à l’environnement extérieur. Nous avons fait quelques découvertes clés dans cette étude : une forme entièrement nouvelle d’ultrastructure du bois jamais observée auparavant et une famille de gymnospermes avec du bois dur de type angiosperme au lieu du bois tendre typique des gymnospermes. »
« Les principaux éléments constitutifs du bois sont les parois cellulaires secondaires, et c’est l’architecture de ces parois cellulaires qui confère au bois sa densité et sa résistance sur lesquelles nous comptons pour la construction. Les parois cellulaires secondaires sont également le plus grand réservoir de carbone de la biosphère, ce qui rend encore plus important la compréhension de leur diversité pour faire progresser nos programmes de capture du carbone afin de contribuer à atténuer le changement climatique. »
Ultrastructure du bois
L’ultrastructure du bois désigne l’architecture microscopique détaillée du bois, englobant la disposition et l’organisation de ses composants matériels. Cette étude du bois réalisée à l’aide d’un microscope électronique à cryo-balayage s’est concentrée sur :
L’étude de l’ultrastructure du bois est essentielle pour diverses applications, notamment la transformation du bois, la science des matériaux et la compréhension des aspects écologiques et évolutifs des arbres. La compréhension de la biologie à l’origine de la croissance des arbres et du dépôt de bois est également une information précieuse pour le calcul de la capture du carbone.
Les collections vivantes du jardin botanique de l’université de Cambridge
Les échantillons de bois ont été prélevés sur des arbres du Jardin botanique de l’Université de Cambridge en coordination avec la coordinatrice des collections du Jardin, Margeaux Apple. Des échantillons frais de bois déposés au cours de la saison de croissance du printemps précédent ont été prélevés sur une sélection d’arbres pour refléter l’histoire évolutive des populations de gymnospermes et d’angiospermes au fur et à mesure de leur divergence et de leur évolution.
Le Dr Raymond Wightman, responsable de l’installation de microscopie du laboratoire Sainsbury de l’université de Cambridge, a déclaré : « Nous avons analysé certains des arbres les plus emblématiques du monde, comme le séquoia géant, le pin Wollemi et les soi-disant « fossiles vivants » tels que Amborella trichopodaqui est la seule espèce survivante d’une famille de plantes qui fut le premier groupe encore existant à évoluer séparément de toutes les autres plantes à fleurs.
« Nos données d’enquête nous ont donné de nouvelles perspectives sur les relations évolutives entre la nanostructure du bois et la composition de la paroi cellulaire, qui diffère selon les lignées de plantes angiospermes et gymnospermes. Les parois cellulaires des angiospermes possèdent des unités élémentaires caractéristiques plus étroites, appelées macrofibrilles, par rapport aux gymnospermes et cette petite macrofibrille est apparue après la divergence de la Amborella trichopoda ancêtre. »
Lyczakowski et Wightman ont également analysé les macrofibrilles de la paroi cellulaire de deux plantes gymnospermes de la famille des Gnetophytes :Gnémon et Gnetum edule—et il a été confirmé que les deux possèdent une ultrastructure de paroi cellulaire secondaire synonyme des structures de paroi cellulaire du bois dur des angiospermes.
Il s’agit d’un exemple d’évolution convergente où les Gnétophytes ont développé indépendamment une structure de type bois dur normalement observée uniquement chez les angiospermes.
L’enquête a été réalisée alors que le Royaume-Uni était en proie à une chaleur accablante sous le quatrième été le plus chaud jamais enregistré au Royaume-Uni en 2022.
« Nous pensons qu’il pourrait s’agir de la plus grande étude, utilisant un microscope cryoélectronique, de plantes ligneuses jamais réalisée », a déclaré Wightman.
« Il n’a été possible de réaliser une étude aussi vaste du bois frais hydraté que parce que le laboratoire Sainsbury est situé dans l’enceinte du jardin botanique de l’université de Cambridge. Nous avons collecté tous les échantillons au cours de l’été 2022, en les collectant tôt le matin, en les congelant dans de l’azote ultra-froid, puis en les imageant jusqu’à minuit.
« Cette recherche illustre la valeur et l’impact continus des jardins botaniques dans la contribution à la recherche moderne. Cette étude n’aurait pas été possible sans une sélection aussi diversifiée de plantes représentées à travers le temps de l’évolution, toutes poussant ensemble au même endroit dans les collections du jardin botanique de l’université de Cambridge. »
Plus d’information:
Jan J Lyczakowski et Raymond Wightman, L’évolution convergente et adaptative a entraîné un changement de l’ultrastructure de la paroi cellulaire secondaire dans les lignées existantes de plantes à graines, Nouveau phytologue (2024). DOI: 10.1111/nph.19983
Toutes les images cryo-SEM de l’enquête sur le bois sont accessibles au public dans ce Dépôt Mendeley.