Summary
Silicon (Si) has been hypothesized to be a metabolically cheaper substitute for carbon-based cell wall components to support leaves. However, how the biomechanical function of Si, deposited as amorphous silica, differs from cell wall components remains untested. Here, we tested the hypothesis that species with higher leaf Si concentrations have stiffer but more brittle leaf lamina.
We measured the mechanical properties, including modulus of elasticity (E), tensile strength (σ
max), and maximum strain (ε
max), tissue density, and the concentrations of Si and cell wall components for 33 deciduous broad-leaved woody species.
Multiple regression results showed that tissue density, Si concentration, and cellulose concentration contributed positively to E and negatively to ε
max. By contrast, tissue density and cellulose concentration, but not Si concentration, contributed to σ
max. No significant contribution of lignin concentration to mechanical properties was detected.
These results suggest that Si might function as a substitute for cellulose to increase stiffness but not the strength of a lamina. Greater Si concentration decreased ε
max without increasing σ
max, which made the lamina more brittle. The brittleness associated with Si might explain a potential cost or disadvantage of using Si, which would elucidate the trade-offs between species with different leaf Si concentrations.
要約
ケイ素は葉を支持するために、炭素由来の細胞壁構成繊維の安価な代用品として機能すると考えられている。しかし、植物体内に非晶質のケイ酸として存在するケイ素のもつ力学的な支持機能が、細胞壁構成繊維とどのように異なるかは検証されていない。そこで我々は「葉のケイ素濃度の高い種の葉は硬いが脆い」という仮説を検証した。
落葉広葉樹33種を対象に、ヤング率、引張強度、最大ひずみ等の力学特性、組織密度、ケイ素と細胞壁構成繊維の濃度を測定した。
重回帰の結果、組織密度、ケイ素濃度、セルロース濃度はヤング率に正に寄与し、最大ひずみに負に寄与した。一方で、引張強度には、組織密度とセルロース濃度が正に寄与したがケイ素濃度は寄与しなかった。リグニンの力学特性への寄与は検出されなかった。
本研究の結果から、ケイ素は葉を硬くするという点ではセルロースの代用品になりうるが、葉の強度を高める機能は代用できないことが示唆された。ケイ素濃度が高いと、引張強度は変わらないまま最大ひずみが下がってしまい、葉は脆くなる。ケイ素に由来する葉の脆さは、ケイ素利用の潜在的なコストや欠点を説明し、ケイ素濃度の異なる種の間に存在するトレードオフを明らかにするかもしれない。
