Tulpenbäume speichern Kohlenstoff dank einer neuen Holzform besonders effizient

Ein in Gärten wegen seiner attraktiven Blüten und seines Laubs verbreiteter Baum hat die ganze Zeit über ein Geheimnis verborgen.

Das Holz der beiden Tulpenbaumarten (Liriodendron) ist weder Hartholz noch Weichholz, sondern liegt als bislang unbekannte Zwischenform dazwischen. Nach Angaben der Forschenden scheint dieses Holz zudem besonders leistungsfähig darin zu sein, Kohlenstoff zu binden und zu speichern.

Tulpenbäume und ihre Kohlenstoffspeicherung

Diese Eigenschaft könnte, so die Biochemiker Jan Łyczakowski von der Jagiellonen-Universität in Polen und Raymond Wightman von der Universität Cambridge im Vereinigten Königreich, mit der Größe der Makrofibrillen zusammenhängen. Dabei handelt es sich um lange, fadenartige Bündel aus Zellwandbestandteilen und Zellulose, die bei Tulpenbäumen deutlich größer sind als die Makrofibrillen von Hartholzbäumen.

Die Entdeckung könnte außerdem den Weg für neue Verfahren zur Kohlenstoffspeicherung ebnen.

„Beide Tulpenbaumarten sind dafür bekannt, Kohlenstoff außergewöhnlich effizient festzulegen, und ihre vergrößerte Makrofibrillenstruktur könnte eine Anpassung sein, die ihnen half, größere Kohlenstoffmengen leichter aufzunehmen und zu speichern, als die Verfügbarkeit von Kohlenstoff in der Atmosphäre zurückging“, erklärt Łyczakowski.

„Tulpenbäume könnten sich für Plantagen zur Kohlenstoffabscheidung als nützlich erweisen. Einige ostasiatische Länder nutzen bereits Liriodendron-Plantagen, um Kohlenstoff effizient festzulegen, und wir gehen nun davon aus, dass dies mit seiner neuartigen Holzstruktur zusammenhängen könnte.“

Es gibt zwei Tulpenbaumarten, Liriodendron tulipifera und Liriodendron chinense. Ihre Entwicklungslinien lassen sich 30 bis 50 Millionen Jahre zurückverfolgen, als sie sich von der Gattung Magnolia abspalteten.

Ungefähr zur selben Zeit nahm die Kohlendioxidmenge in der Atmosphäre rasch und stark ab. Die Forschenden vermuten, dass dies mit dem Auftreten von Liriodendron in Verbindung stehen könnte.

„Dies“, so Łyczakowski, „könnte erklären helfen, warum Tulpenbäume Kohlenstoff so wirksam speichern.“

Makrofibrillen in den Zellwänden des Holzes

Makrofibrillen befinden sich in den sekundären Zellwänden verholzter Pflanzen, einem zentralen Merkmal ihrer Anatomie. Diese sekundären Zellwände werden erst nach der Bildung der primären Zellwände angelegt und verleihen der Pflanze zusätzliche strukturelle Festigkeit.

Dort befindet sich der größte Teil der verholzten Biomasse einer Pflanze, dennoch ist über diesen Bereich bislang nur wenig bekannt.

Łyczakowski und sein Team stießen auf die Erkenntnis während einer Untersuchung zur Entwicklung der Pflanzenstruktur. Dabei betrachteten sie sowohl Weichholzpflanzen wie Kiefern und andere Koniferen als auch Hartholzarten wie Eichen und Birken.

Mithilfe der Rasterelektronen-Kryomikroskopie (Kryo-REM) untersuchten sie die Zellwände von 33 Pflanzen in einem Zustand, der ihrem natürlichen Zustand möglichst nahekam. Dazu wurde das Holz geerntet, konserviert und über Stunden hinweg abgebildet. So konnten die Forschenden es ähnlich betrachten wie im lebenden Zustand und nicht nur als getrocknetes, ausgedörrtes Totholz.

Neue Einblicke in die Evolution von Holz

Die Studie zeigte, dass die Unterschiede zwischen Angiospermen, also Blütenpflanzen, und Gymnospermen, also samenbildenden Pflanzen, nicht immer eindeutig abgegrenzt sind.

Neben der neuen Holzform identifizierte das Forschungsteam zwei Gymnospermen aus der Gattung Gnetum, deren sekundäre Zellwandstruktur jener verholzter Angiospermen entspricht.

Nach Ansicht der beiden Wissenschaftler ist dies ein Beispiel für konvergente Evolution: Verschiedene Arten entwickeln unabhängig voneinander dieselben Merkmale. Zusammengenommen liefern die Ergebnisse neue Erkenntnisse über die evolutionären Beziehungen zwischen der Zusammensetzung pflanzlicher Zellwände und der Nanostruktur von Holz.

Die Entdeckungen sind für Fachbereiche von der Biologie bis zum Ingenieurwesen relevant.

„Die wichtigsten Bausteine des Holzes sind die sekundären Zellwände, und ihre Architektur verleiht dem Holz die Dichte und Festigkeit, auf die wir beim Bauen angewiesen sind“, sagt Łyczakowski.

„Sekundäre Zellwände sind außerdem das größte Kohlenstoffreservoir der Biosphäre. Um unsere Programme zur Kohlenstoffabscheidung weiterzuentwickeln und damit den Klimawandel abzumildern, ist es daher umso wichtiger, ihre Vielfalt zu verstehen.“

Die Forschung wurde in New Phytologist veröffentlicht.