Reseña de investigación

¿Cómo responden las plantas tropicales a concentraciones atmosféricas elevadas de dióxido de carbono y temperaturas elevadas?

Existe incertidumbre sobre el destino de los bosques tropicales frente al cambio atmosférico y climático contemporáneo. Mis colegas y yo utilizamos cúpulas geodésicas de vidrio con iluminación natural y otras instalaciones de ambiente controlado para simular futuros escenarios ambientales tropicales. Exponemos plantas que representan diferentes formas de vida y tipos funcionales a elevadas temperaturas y concentraciones de CO₂. Los nutrientes del suelo y la disponibilidad de agua en el suelo son variables adicionales. Medimos el crecimiento, la fotosíntesis, la respiración, el uso del agua, la composición química y la reproducción. Se espera que estos experimentos brinden respuestas a varias interrogantes clave: (1) ¿Habrá ganadores y perdedores entre las especies? (2) ¿Pueden las plantas tropicales aclimatarse? (3) ¿Cuándo llega el cambio climático a un punto de inflexión para las plantas tropicales?

¿Cómo enfrenta la capa del dosel del bosque tropical el calor, la alta radiación solar y la sequía estacional?

En días claros y soleados, especialmente durante la estación seca, el dosel del bosque tropical es un ambiente desértico. Cuando se expone a la luz solar total, las hojas del dosel exterior cierran transitoriamente sus poros estomáticos para minimizar la pérdida de agua por transpiración, la asimilación de CO₂ cae a cero y las hojas se calientan. Las dos grúas del dosel de STRI nos permiten entrar al dosel del bosque y estudiar una gran variedad de especies de árboles y lianas. Utilizamos sofisticados equipos portátiles de fotosíntesis y sondas de fluorescencia de clorofila para monitorear la fisiología de las hojas, determinar los procesos bioquímicos clave subyacentes a la fotosíntesis y examinar cómo los presupuestos de carbono de las hojas se ven afectados en estas condiciones extremas. Nuestros estudios ayudan a desentrañar los mecanismos de tolerancia al calor, fotoprotección y protección contra falla hidráulica en especies de dosel.

Uno de los mejores ejemplos de flexibilidad metabólica en el reino vegetal: el cambio de la ruta fotosintética entre C₃ y CAM: ¿cómo, con qué frecuencia y por qué ha evolucionado en especies de plantas tropicales?

Los estudios sobre la biodiversidad de la Tierra tradicionalmente enfatizan la catalogación cuantitativa de las especies y la diversidad de la morfología. Los estudios modernos de biodiversidad también abordan la asombrosa diversidad funcional de los organismos. La diversidad de las vías fotosintéticas es uno de los principales temas de investigación del laboratorio de Winter, con énfasis en la importancia funcional y los orígenes evolutivos de la vía conservadora del CAM (metabolismo del ácido crasuláceo). A diferencia de la mayoría de las plantas, que muestran fotosíntesis C₃ y que secuestran el CO atmosférico durante el día, las plantas CAM incorporan dióxido de carbono, principalmente durante el frío de la noche cuando se reduce el riesgo de deshidratación. La absorción nocturna de CO₂ normalmente ocurre en plantas suculentas del desierto como los cactus y agaves, pero como nuestra investigación lo ha demostrado, también es una innovación clave que ha permitido a muchas bromelias y orquídeas ocupar periódicamente micro-hábitats epifíticos secos en los trópicos húmedos. En el laboratorio de Winter, nos enfocamos en un número hasta ahora pequeño, pero en expansión, de especies que exhiben CAM de manera facultativa y opcional. Son plantas C₃ cuando están bien irrigadas, cambian a CAM cuando están expuestas a estrés por sequía y vuelven al fenotipo C₃ cuando son regadas. Las especies con esta fisiología especial sin duda representan uno de los mejores ejemplos de flexibilidad metabólica en el reino vegetal. Estudiamos CAM facultativo en especies de árboles tropicales del género Clusia y, sorprendentemente, hemos descubierto recientemente CAM facultativo en dos especies ampliamente utilizadas como vegetales tropicales. Mientras buscamos más especies con esta notable plasticidad fenotípica, nuestra investigación principal aborda tres preguntas principales: 1) ¿Cuál es el significado adaptativo de CAM facultativo bajo condiciones tropicales naturales? 2) ¿Son los intermediarios transitorios de especies CAM facultativos a lo largo de la trayectoria evolutiva de C₃ a CAM completa? 3) ¿Cómo se traduce la señal de estrés físico en la respuesta bioquímica, es decir, el cambio a CAM y qué genes están regulados positivamente?  

Educación

Dr. rer. nat., Darmstadt, 1975

Dr. rer. nat. habil., Würzburg, 1983

Publicaciones destacadas

Slot M, Winter K (2017) In situ temperature response of photosynthesis of 42 tree and liana species in the canopy of two Panamanian lowland tropical forests with contrasting rainfall regimes. New Phytologist 214: 1103-1117

Crayn DM, Winter K, Schulte K, Smith JAC (2015) Photosynthetic pathways in Bromeliaceae: phylogenetic and ecological significance of CAM and C3 based on carbon isotope ratios for 1893 species. Botanical Journal of the Linnean Society 178: 169-221

Winter K, Holtum JAM, Smith JAC (2015) Crassulacean acid metabolism: a continuous or discrete trait? New Phytologist 208: 73-78

Winter K, Holtum JAM (2014) Facultative crassulacean acid metabolism (CAM) plants: powerful tools for unravelling the functional elements of CAM photosynthesis. Journal of Experimental Botany 65: 3425-3441

Cernusak LA, Winter K, Dalling JW, Holtum JAM, Jaramillo C, Körner C, Leakey ADB, Norby RJ, Poulter B, Turner BL, Wright SJ (2013) Tropical forest responses to increasing atmospheric CO2: current knowledge and opportunities for future research. Functional Plant Biology 40: 531-551

Cheesman AW, Winter K (2013) Elevated night-time temperatures increase growth in seedlings of two tropical pioneer tree species. New Phytologist 197: 1185-1192

Winter K, von Willert DJ (1972) NaCl-induzierter Crassulaceensäurestoffwechsel bei Mesembryanthemum crystallinum. Zeitschrift für Pflanzenphysiologie 67: 166-170

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