Un estudio evolutivo de la estructura microscópica de la madera de algunos árboles y arbustos ha descubierto un tipo de madera totalmente nuevo
Este descubrimiento puede abrir nuevas oportunidades para mejorar el secuestro de carbono en las plantaciones forestales mediante la plantación de un árbol de crecimiento rápido más común en los jardines ornamentales.
El estudio ha descubierto que los tuliperos, que están emparentados con las magnolias y pueden superar los 30 metros de altura, tienen un tipo de madera único que no encaja ni en la categoría de las frondosas ni en la de las coníferas.
Científicos de la Universidad Jagellónica y la Universidad de Cambridge utilizaron un microscopio electrónico de barrido a baja temperatura (crio-SEM) para obtener imágenes de la arquitectura a nanoescala de las paredes celulares secundarias (madera) en su estado hidratado nativo.
Los investigadores descubrieron que las dos especies supervivientes del antiguo género Liriodendron, conocidas comúnmente como tulipero (Liriodendron tulipifera) y tulipero chino (Liriodendron chinense) tienen macrofibrillas mucho más grandes que sus parientes de madera dura (las macrofibrillas son fibras largas alineadas en capas en la pared celular secundaria).
El autor principal de la investigación, publicada en New Phytologist, el Dr. Jan Łyczakowski, de la Universidad Jagiellonian, declaró: «Demostramos que las Liriodendron tienen una estructura de macrofibrillas intermedia que es significativamente diferente de la estructura de la madera blanda o de la madera dura. Los liriodendros divergieron de los magnolios hace unos 30-50 millones de años, lo que coincidió con una rápida reducción del CO2 atmosférico. Esto podría ayudar a explicar por qué los tuliperos son muy eficaces en el almacenamiento de carbono».
El equipo sospecha que son las macrofibrillas más grandes de esta «madera intermedia» o «madera acumuladora» las que explican el rápido crecimiento de los tuliperos.
Łyczakowski añadió: «Se sabe que ambas especies de tuliperos son excepcionalmente eficientes a la hora de retener carbono, y su estructura de macrofibrillas agrandadas podría ser una adaptación que les ayudara a capturar y almacenar más fácilmente mayores cantidades de carbono cuando se redujera la disponibilidad de carbono atmosférico. Los tuliperos pueden acabar siendo útiles para las plantaciones de captura de carbono. Algunos países del este asiático ya están utilizando plantaciones de Liriodendron para fijar eficazmente el carbono, y ahora pensamos que esto podría estar relacionado con su novedosa estructura leñosa».
El Liriodendron tulipifera es originario del norte de América y el Liriodendron chinense es una especie autóctona del centro y sur de China y Vietnam.
El descubrimiento formaba parte de un estudio de 33 especies arbóreas de las Colecciones Vivas del Jardín Botánico de la Universidad de Cambridge que exploraba cómo evolucionó la ultraestructura de la madera en las coníferas (gimnospermas como pinos y coníferas) y las frondosas (angiospermas como robles, fresnos, abedules y eucaliptos).
Según Łyczakowski: «A pesar de su importancia, sabemos poco sobre cómo evoluciona la estructura de la madera y cómo se adapta al entorno exterior. En este estudio hemos hecho algunos descubrimientos clave: una forma totalmente nueva de ultraestructura de la madera, nunca antes observada, y una familia de gimnospermas con madera dura similar a la de las angiospermas, en lugar de la típica madera blanda de las gimnospermas».
«Los principales componentes de la madera son las paredes celulares secundarias, cuya arquitectura confiere a la madera la densidad y resistencia de las que depende para su construcción. Las paredes celulares secundarias son también el mayor depósito de carbono de la biosfera, lo que hace aún más importante comprender su diversidad para impulsar nuestros programas de captura de carbono y contribuir así a mitigar el cambio climático.»
La ultraestructura de la madera se refiere a la arquitectura microscópica detallada de la madera, que abarca la disposición y organización de sus componentes materiales. Este estudio de la madera realizado con un criomicroscopio electrónico de barrido se centró en:
El estudio de la ultraestructura de la madera es crucial para diversas aplicaciones, como el procesamiento de la madera, la ciencia de los materiales y la comprensión de los aspectos ecológicos y evolutivos de los árboles. Comprender la biología que subyace al crecimiento de los árboles y a la deposición de la madera también es una información valiosa a la hora de calcular la captura de carbono.
Las muestras de madera se recogieron de árboles del Jardín Botánico de la Universidad de Cambridge en coordinación con la coordinadora de colecciones del Jardín, Margeaux Apple. Se recogieron muestras frescas de madera depositada en la estación de crecimiento de la primavera anterior de una selección de árboles para reflejar la historia evolutiva de las poblaciones de gimnospermas y angiospermas a medida que divergían y evolucionaban.
Amborella trichopoda
El Dr. Raymond Wightman, Director de la Instalación Central de Microscopía del Laboratorio Sainsbury de la Universidad de Cambridge, declaró: «Hemos analizado algunos de los árboles más emblemáticos del mundo, como la secuoya gigante, el pino Wollemi y los llamados «fósiles vivientes», como Amborella trichopoda, que es la única especie superviviente de una familia de plantas que fue el primer grupo aún existente que evolucionó separadamente de todas las demás plantas con flores.
«Los datos de nuestro estudio nos han proporcionado nuevos conocimientos sobre las relaciones evolutivas entre la nanoestructura de la madera y la composición de la pared celular, que difiere entre los linajes de plantas angiospermas y gimnospermas. Las paredes celulares de las angiospermas poseen unidades elementales características más estrechas, llamadas macrofibrillas, en comparación con las gimnospermas, y esta pequeña macrofibrilla surgió tras la divergencia a partir del ancestro Amborella trichopoda«.
Lyczakowski y Wightman también analizaron las macrofibrillas de la pared celular de dos plantas gimnospermas de la familia de las Gnetófitas –Gnetum gnemon y Gnetum edule– y confirmaron que ambas tienen una ultraestructura de pared celular secundaria sinónima de las estructuras de pared celular de madera dura de las angiospermas.
Se trata de un ejemplo de evolución convergente en el que las Gnetophytes han desarrollado de forma independiente una estructura de tipo madera dura que normalmente sólo se ve en las angiospermas.
El estudio se llevó a cabo cuando el Reino Unido estaba sofocado por el cuarto verano más caluroso jamás registrado en 2022.
«Creemos que podría tratarse del mayor estudio de plantas leñosas jamás realizado con un criomicroscopio electrónico», afirma Wightman. «Sólo ha sido posible realizar un estudio tan amplio de la madera fresca hidratada porque el laboratorio Sainsbury se encuentra dentro de los terrenos del Jardín Botánico de la Universidad de Cambridge. Recogimos todas las muestras durante el verano de 2022 – recogiendo a primera hora de la mañana, congelando las muestras en nitrógeno granizado ultrafrío y luego obteniendo imágenes de las muestras hasta la medianoche.
«Esta investigación ilustra el valor y el impacto continuos que tienen los jardines botánicos a la hora de contribuir a la investigación moderna. Este estudio no sería posible sin tener una selección tan diversa de plantas representadas a través del tiempo evolutivo, todas creciendo juntas en el mismo lugar en las Colecciones del Jardín Botánico de la Universidad de Cambridge».
REFERENCIA
Foto: La ultraestructura de la madera de Liriodendron tulipifera observada bajo un crio-SEM revela estructuras de macrofibrillas ampliadas. Crédito: Jan J Lyczakowski y Raymond Wightman
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