Во всем мире растет интерес к использованию древесины в качестве более легкой и экологически чистой альтернативы стали и бетону. Хотя древесина использовалась в зданиях на протяжении тысячелетий, ее механические свойства еще не соответствовали всем современным строительным стандартам для крупных надстроек. Отчасти это связано с ограниченным пониманием точной структуры клеток древесины.
Исследование, опубликованное сегодня в журнале Frontiers in Plant Science, также определило растение Arabidopsis thaliana как подходящую модель, которая поможет направить будущие программы селекции в лесном хозяйстве.
Д-р Ян Лычаковски, первый автор статьи с факультета биохимии Кембриджского университета, который в настоящее время базируется в Ягеллонском университете, сказал: «Именно молекулярная архитектура дерева определяет его прочность, но до сих пор мы этого не сделали. знать точное молекулярное расположение цилиндрических структур, называемых макрофибриллами, в клетках древесины. Этот новый метод позволил нам увидеть состав макрофибрилл и то, как молекулярное расположение различается у разных растений, и это помогает нам понять, как это может повлиять на плотность древесины. и сила."
Основными строительными блоками древесины являются вторичные стенки вокруг каждой ячейки древесины, которые состоят из матрицы крупных полимеров, называемых целлюлозой и гемицеллюлозой, и пропитаны лигнином. Деревья, такие как гигантская секвойя, могут достигать своей огромной высоты только из-за этих вторичных клеточных стенок, которые обеспечивают жесткую структуру вокруг клеток в их стволах.
Команда из кафедры биохимии Кембриджского университета и лаборатории Сейнсбери (SLCU) адаптировала низкотемпературную сканирующую электронную микроскопию (крио-СЭМ) для изображения наноразмерной архитектуры клеточных стенок деревьев в их живом состоянии. Это выявило микроскопические детали макрофибрилл вторичной клеточной стенки, которые в 1000 раз уже ширины человеческого волоса.
Чтобы сравнить разные деревья, они собрали образцы древесины ели, гингко и тополя в Ботаническом саду Кембриджского университета. Образцы были быстро заморожены до минус 200°C, чтобы сохранить клетки в их живом гидратированном состоянии, а затем покрыты ультратонкой платиновой пленкой толщиной три нанометра, чтобы обеспечить хороший видимый контраст под микроскопом.
«Наша крио-СЭМ является значительным шагом вперед по сравнению с ранее использовавшимися методами и позволила нам впервые получить изображение гидратированных клеток древесины», - сказал д-р Рэймонд Вайтман, руководитель основного подразделения микроскопии в SLCU. «Выяснилось, что существуют макрофибриллярные структуры диаметром более 10 нанометров как в хвойных, так и в лиственных породах, и подтверждено, что они являются общими для всех изученных деревьев».
Cryo-SEM - это мощный инструмент визуализации, помогающий понять различные процессы, лежащие в основе развития растений. Предыдущая микроскопия древесины была ограничена обезвоженными образцами древесины, которые должны были быть либо высушены, либо нагреты, либо химически обработаны, прежде чем их можно было визуализировать.
Команда также сделала снимки вторичных клеточных стенок Arabidopsis thaliana, однолетнего растения, широко используемого в качестве стандартного эталонного растения для исследований в области генетики и молекулярной биологии. Они обнаружили, что он также имеет заметные структуры макрофибрилл. Это открытие означает, что арабидопсис можно использовать в качестве модели для дальнейших исследований деревянной архитектуры. Используя коллекцию растений арабидопсиса с различными мутациями, связанными с формированием их вторичной клеточной стенки, команда смогла изучить участие специфических молекул в формировании и созревании макрофибрилл.
Доктор Матье Бурдон, научный сотрудник SLCU, сказал: «Варианты арабидопсиса позволили нам определить вклад различных молекул, таких как целлюлоза, ксилан и лигнин, в формирование и созревание макрофибрилл. В результате мы сейчас лучше понимают процессы, связанные со сборкой клеточных стенок».
Богатство генетических ресурсов арабидопсиса предлагает ценный инструмент для дальнейшего изучения сложного отложения вторичных полимеров клеточных стенок и их роли в определении тонкой структуры клеточных стенок и того, как они превращаются в древесину.
«Визуализация молекулярной архитектуры древесины позволяет нам исследовать, как изменение расположения определенных полимеров в ней может повлиять на ее прочность», - сказал профессор Пол Дюпри, соавтор исследования на кафедре биохимии Кембриджа. «Понимание того, как компоненты древесины объединяются для создания сверхпрочных конструкций, важно для понимания как созревания растений, так и для разработки новых материалов».
«Во всем мире растет интерес к использованию древесины в качестве более легкого и экологичного строительного материала», - добавил Дюпри. «Если мы сможем увеличить прочность дерева, мы можем увидеть, как больше крупных конструкций переходят от стали и бетона к дереву».