Nghiên cứu về cây Tulip đã xác định được một cấu trúc gỗ mới lạ có tiềm năng lưu trữ carbon đáng kể. Chúng ta có thể trồng loại cây này trong các đồn điền cô lập carbon giúp chống biến đổi khí hậu.
Trong khi tiến hành khảo sát tiến hóa về cấu trúc vi mô của gỗ từ một số loài cây và cây bụi mang tính biểu tượng nhất thế giới, các nhà khoa học từ Đại học Jagiellonian và Đại học Cambridge đã phát hiện ra một loại gỗ hoàn toàn mới. Họ phát hiện ra rằng cây Tulip, họ hàng của cây mộc lan có thể cao hơn 30 mét, có một loại gỗ độc đáo không giống với bất kỳ loại gỗ cứng hay gỗ mềm nào.
Phát hiện mang tính đột phá này có thể mở ra những cơ hội mới để cải thiện khả năng cô lập carbon trong các khu đồn điền.
Những phát hiện mới lạ về cấu trúc gỗ
Trong nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí New Phytologist, các nhà khoa học đã sử dụng kính hiển vi điện tử quét nhiệt độ thấp (cryo-SEM) để chụp ảnh kiến trúc nano của thành tế bào thứ cấp (gỗ) ở trạng thái ngậm nước tự nhiên của chúng.
Họ phát hiện ra hai loài còn sống sót của chi Liriodendron cổ đại, thường được gọi là cây Tulip (Liriodendron tulipifera) và cây Tulip Trung Quốc (Liriodendron chinense) có các sợi lớn hơn nhiều so với họ hàng gỗ cứng của chúng (các sợi lớn là các sợi dài xếp thành từng lớp trong thành tế bào thứ cấp).
Tác giả chính Tiến sĩ Jan Łyczakowski từ Đại học Jagiellonian cho biết: “Chúng tôi chỉ ra rằng Liriodendron có cấu trúc sợi lớn trung gian khác biệt đáng kể so với cấu trúc của gỗ mềm hoặc gỗ cứng. Liriodendron rẽ nhánh tiến hóa từ cây mộc lan khoảng 30-50 triệu năm trước, trùng với thời điểm CO2 trong khí quyển giảm nhanh chóng. Điều này có thể giúp giải thích tại sao cây Tulip có hiệu quả cao trong việc lưu trữ carbon”.
Nhóm nghiên cứu nghi ngờ rằng các sợi nhỏ có kích thước lớn hơn trong "gỗ giữa" hoặc "gỗ tích tụ" này là nguyên nhân giúp cây Tulip phát triển nhanh chóng.
Łyczakowski nói thêm: “Cả hai loài cây Tulip đều được biết đến là có khả năng lưu trữ cacbon cực kỳ hiệu quả. Cấu trúc sợi lớn mở rộng có thể là một sự thích nghi giúp chúng dễ dàng bắt giữ và lưu trữ lượng carbon lớn hơn khi lượng carbon trong khí quyển đang giảm. Cây Tulip có thể trở nên hữu ích cho các đồn điền thu giữ carbon.
Một số quốc gia Đông Á đã sử dụng các đồn điền Liriodendron để cô lập carbon hiệu quả. Chúng tôi đang cho rằng điều này có thể liên quan đến cấu trúc gỗ mới lạ của chúng”.
Quá trình thực vật tiến hóa từ vườn bách thảo Đại học Cambridge
Khám phá này là một phần của cuộc khảo sát 33 loài cây từ Bộ sưu tập sống của vườn bách thảo Đại học Cambridge. Khảo sát này nhằm khám phá cách cấu trúc siêu nhỏ của gỗ tiến hóa trên các loại gỗ mềm (thực vật hạt trần như thông và lá kim) và gỗ cứng (thực vật hạt kín bao gồm sồi, tần bì, bạch dương và bạch đàn).
Łyczakowski nói: “Mặc dù có tầm quan trọng, nhưng chúng ta biết rất ít về cách cấu trúc của gỗ tiến hóa và thích nghi với môi trường bên ngoài. Chúng tôi đã có một số khám phá mới quan trọng trong cuộc khảo sát này. Đó là tìm ra một dạng cấu trúc siêu nhỏ hoàn toàn mới của gỗ chưa từng được quan sát trước đây. Chúng tôi cũng tìm ra một họ thực vật hạt trần có gỗ cứng giống thực vật hạt kín thay vì gỗ mềm đặc trưng của thực vật hạt trần thông thường.
Cấu trúc siêu nhỏ của gỗ lấy từ cây hoa tulip (Liriodendron tulipifera), Amborella (Amborella trichopoda) và Joint fir (Gnetum edule) ở độ phóng đại x1.000 và x50.000 dưới kính hiển vi điện tử quét lạnh. Các tế bào gỗ và thành tế bào có thể nhìn thấy ở độ phóng đại x1.000. Các sợi lớn có thể nhìn thấy ở độ phóng đại x50.000.
“Các khối xây dựng chính của gỗ là thành tế bào thứ cấp và chính kiến trúc của các thành tế bào này tạo cho gỗ mật độ và độ bền để trở thành vật liệu xây dựng của con người. Thành tế bào thứ cấp cũng là nơi lưu trữ carbon lớn nhất trong sinh quyển. Điều này khiến việc hiểu rõ tính đa dạng của chúng trở nên quan trọng hơn nữa trong quá trình chúng ta thúc đẩy các chương trình lưu trữ carbon nhằm giảm biến đổi khí hậu”.
Các mẫu gỗ được thu thập từ các cây trong Vườn bách thảo của Đại học Cambridge phối hợp với Điều phối viên Bộ sưu tập của Vườn là Margeaux Apple. Các mẫu gỗ tươi được lưu giữ trong mùa sinh trưởng mùa xuân trước đã được thu thập từ một số cây để phản ánh lịch sử tiến hóa của quần thể thực vật hạt trần và thực vật hạt kín khi chúng phân kỳ và tiến hóa.
Tiến sĩ Raymond Wightman, Quản lý Cơ sở Lõi Kính hiển vi tại Phòng thí nghiệm Sainsbury thuộc Đại học Cambridge, cho biết: “Chúng tôi đã phân tích một số loài cây mang tính biểu tượng nhất thế giới như cây sequoia khổng lồ, thông Wollemi và loài được gọi là “hóa thạch sống” như Amborella trichopoda. Đây là loài duy nhất còn sống sót trong một họ thực vật vẫn còn tồn tại tiến hóa riêng biệt với tất cả các loài thực vật có hoa khác".
“Dữ liệu khảo sát của chúng tôi đã cung cấp cho chúng tôi những hiểu biết mới về mối quan hệ tiến hóa giữa cấu trúc nano gỗ và thành phần thành tế bào, khác nhau giữa các dòng thực vật hạt kín và hạt trần. Thành tế bào thực vật hạt kín được gọi là sợi lớn, có các đơn vị cơ bản đặc trưng hẹp hơn so với thực vật hạt trần. Sợi lớn này xuất hiện sau khi phân kỳ từ tổ tiên Amborella trichopoda”.
Lyczakowski và Wightman cũng đã phân tích các sợi lớn thành tế bào của hai loài thực vật hạt trần trong họ Gnetophytes – Gnetum gnemon và Gnetum edule – và xác nhận cả hai đều có cấu trúc siêu nhỏ thành tế bào thứ cấp, tương đương với cấu trúc thành tế bào gỗ cứng của thực vật hạt kín. Đây là một ví dụ về quá trình tiến hóa hội tụ, trong đó Gnetophytes đã tiến hóa độc lập một cấu trúc kiểu gỗ cứng thường chỉ thấy ở thực vật hạt kín.
Wightman cho biết: "Chúng tôi nghĩ rằng đây có thể là cuộc khảo sát lớn nhất, sử dụng kính hiển vi điện tử lạnh, đối với thực vật thân gỗ từng được thực hiện. Chỉ có thể thực hiện một cuộc khảo sát lớn như vậy đối với gỗ ngậm nước tươi vì Phòng thí nghiệm Sainsbury nằm trong khuôn viên của Vườn bách thảo Đại học Cambridge. Chúng tôi đã thu thập tất cả các mẫu trong mùa hè năm 2022 – thu thập vào sáng sớm, đông lạnh các mẫu trong nitơ bùn cực lạnh, sau đó chụp ảnh các mẫu cho đến nửa đêm.
Nghiên cứu này minh họa cho giá trị và tác động liên tục mà các vườn thực vật có trong việc đóng góp cho nghiên cứu hiện đại. Nghiên cứu này sẽ không thể thực hiện được nếu không có sự đa dạng về các loại thực vật được thể hiện qua thời gian tiến hóa, tất cả đều phát triển đồng thời tại cùng một nơi trong Vườn thực vật Đại học Cambridge”.