科学家发现可高效储存碳的全新木材类型

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　　研究人员对世界上一些最具代表性的树木和灌木的木材微观结构进行进化研究，发现了一种全新的木材类型。
　　这一发现可能为通过种植在观赏花园中更常见的速生树种来改善人工林的碳封存提供新的机会。
　　研究发现，郁金香树与木兰属植物，可以长到 100 英尺高，其木材类型独特，不属于硬木或软木类别。
　　来自雅盖隆大学和剑桥大学的科学家使用低温扫描电子显微镜 (cryo-SEM) 对天然水合状态下的次生细胞壁（木材）的纳米级结构进行成像。
　　研究人员发现，古老的北美鹅掌楸属的两个现存物种，俗称鹅掌楸（Liriodendron Tulipifera）和中国鹅掌楸（Liriodendron Chinense），它们的大原纤维比它们的硬木亲戚大得多（大原纤维是排列在次生细胞壁中的长纤维）。
　　这项研究的主要作者是雅盖隆大学的 Jan Łyczakowski 博士，他发表在《新植物学家》杂志上，他说：“我们发现鹅掌楸具有中间大纤维结构，与软木或硬木的结构有显著不同。鹅掌楸大约在 3000 万到 5000 万年前与木兰树分道扬镳，当时大气中的二氧化碳迅速减少。这可能有助于解释为什么鹅掌楸在碳储存方面非常有效。”
　　研究小组怀疑，正是这种“中间木”或“积累木”中较大的宏原纤维导致了郁金香树的快速生长。
　　Łyczakowski 补充道：“这两种郁金香树都以极高的碳锁定效率而闻名，当大气中的碳含量减少时，它们扩大的巨原纤维结构可能是一种适应，可以帮助它们更容易地捕获和储存大量的碳。
　　“鹅掌楸最终可能成为碳捕获种植园。一些东亚国家已经在使用鹅掌楸种植园来有效锁定碳，我们现在认为这可能与其新颖的木材结构有关。”
　　马蔺木原产于北美，而北美鹅掌楸则是中国中部和南部以及越南的本土树种。
　　这一发现是对剑桥大学植物园活体收藏的 33 个树种进行的调查的一部分，旨在探索软木（松树和针叶树等裸子植物）和硬木（橡树、白蜡树、桦树和桉树等被子植物）的木材超微结构是如何进化的。
　　Łyczakowski 表示：“尽管木材结构非常重要，但我们对木材结构如何进化和适应外部环境知之甚少。我们在这次调查中取得了一些关键的新发现——一种以前从未观察到的全新木材超微结构，以及一种裸子植物家族，其硬木与被子植物相似，而不是典型的裸子植物软木。
　　“木材的主要构成要素是次生细胞壁，这些细胞壁的结构赋予木材密度和强度，而这正是我们建造木材所依赖的。次生细胞壁也是生物圈中最大的碳储存库，因此了解它们的多样性就显得更加重要，以进一步推进我们的碳捕获计划，帮助缓解气候变化。”
　　木材超微结构
　　木材超微结构是指木材的详细微观结构，包括其材料成分的排列和组织。这项使用低温扫描电子显微镜对木材进行的调查重点是：
　　次生细胞壁：次生细胞壁主要由纤维素和其他复合糖组成，并浸渍有木质素，使整个结构变得坚硬。这些成分构成了大纤维，形成排列成不同层的长纤维，排列在次生细胞壁内。
　　大纤维：这是目前我们能用低温扫描电镜测量到的最小结构，厚度约为 10-40 纳米。它由纤维素微纤维（3-4 纳米）和其他成分组成。
　　研究木材超微结构对于各种应用都至关重要，包括木材加工、材料科学以及了解树木的生态和进化方面。了解树木生长和木材沉积背后的生物学原理也是计算碳捕获量的宝贵信息。
　　剑桥大学植物园的活体收藏
　　木材样本是在剑桥大学植物园与植物园收藏协调员 Margeaux Apple 的协调下从该植物园的树木上采集的。从选定的树木中采集了上一个春季生长季节沉积的新鲜木材样本，以反映裸子植物和被子植物种群分化和进化的进化历史。
　　剑桥大学塞恩斯伯里实验室显微镜核心设施经理雷蒙德·怀特曼博士表示：“我们分析了一些世界上最具代表性的树种，比如巨型红杉、沃勒米松，以及所谓的‘活化石’，比如Amborella trichopoda，它是植物家族中唯一幸存的物种，也是现存最早与所有其他开花植物分开进化的植物群。
　　“我们的调查数据让我们对木材纳米结构和细胞壁组成之间的进化关系有了新的认识，这种关系在被子植物和裸子植物的谱系中是不同的。与裸子植物相比，被子植物的细胞壁具有特征性较窄的基本单元，称为大原纤维，这种小的大原纤维是在与Amborella trichopoda祖先分化后出现的。”
　　Lyczakowski 和 Wightman 还分析了买麻藤科两种裸子植物（买麻藤和买麻藤）的细胞壁大原纤维，并证实两者都具有与被子植物硬木细胞壁结构同义的次生细胞壁超微结构。
　　这是趋同进化的一个例子，其中买麻藤独立进化出通常仅在被子植物中见到的硬木型结构。
　　这项调查是在英国 2022 年经历有记录以来第四热的夏季而进行的。
　　怀特曼说：“我们认为这可能是迄今为止利用低温电子显微镜对木本植物进行的最大规模调查。”
　　“之所以能够对新鲜水合木材进行如此大规模的调查，是因为 Sainsbury 实验室位于剑桥大学植物园内。我们在 2022 年夏天收集了所有样本——清晨收集，在超冷的氮气中冷冻样本，然后对样本进行成像，直到午夜。
　　“这项研究表明植物园对现代研究的贡献具有持续的价值和影响。如果没有如此多样化的植物选择，这项研究就不可能进行，这些植物在整个进化过程中都有代表性，并且都生长在剑桥大学植物园的同一地方。”