Plant Ecophysiology and Metabolism

	The Plant Ecophysiology and Metabolism Laboratory aims to study the source-sink dynamics and carbon-nitrogen coordination in crops grown in field and controlled conditions. We combine agronomic, physiological and molecular analyses to understand the mechanisms involved in nutrient uptake, allocation and response to abiotic stresses. Additionally, we maintain a high-throughput phenotyping platform and provide novel approaches for organ-level phenotyping.
	Ruben Vicente Investigador Principal PhD in Plant Biotechnology (2015) University of Salamanca (Spain) Phone (+351) 214469627 | Extension 1627 Email: ruben.vicente@itqb.unl.pt

Research Interests

Ensuring food security is facing new challenges due to the increase of the world population and the impacts of climate change on agriculture. Cereals are economically and culturally important crops in the Mediterranean basin, such as bread and durum wheat, barley, maize and rice, among others. The understanding of climate change effects (high temperatures, water/salt stress, nutrient deficiencies, elevated CO2, etc.) on crop performance and the genetic advance, diversity, variability and grain quality evolution is still limited and would be useful for the design of future breeding programs.

Plant responses to abiotic stresses define a complex and sophisticated regulatory network. To address this issue, in our group we work with a multi-level approach to investigate at whole plant level such responses by combining agronomic, physiological and molecular analyses in source and sink organs during the plant growth. Our main objective is to study the source-sink dynamics and carbon-nitrogen coordination in cereal crops and model plants, identifying the time and the place when and where the nutrients are assimilated and used for grain filling. The specific objectives are (i) to predict the impacts of climate change on plant growth and productivity, (ii) to understand the physiological and molecular mechanisms underlying the plant adaptation to such growth conditions, (iii) to develop high-throughput methods for plant phenotyping, and (iv) to identify biomarkers associated with tolerance and/or high productivity under future climate scenario. The final goal of this research is to provide useful information for future breeding programmes to improve crop yield while enhancing nutrient use efficiency on a sustainable basis.

Group Members

• Omar Vergara Díaz, PhD
• Artūrs Katamadze, PhD student
• Ander Yoldi Achalandabaso, PhD
• João Reis, PhD student
• Raquel Martínez Peña, PhD student (alumni)
• Giulia Burini, MSc student (alumni)

Selected Publications

1. Sánchez-Bragado, Vicente R, Molero G, Serret MD, Maydup ML, Araus JL (2020) New avenues for increasing yield and stability in C3 cereals: exploring the ear photosynthesis. Current Opinion in Plant Biology 56: 223-234. doi: 10.1016/j.pbi.2020.01.001

2. Martínez-Peña R, Schlereth A, Höhne M, Encke B, Morcuende R, Nieto-Taladriz MT, Araus JL, Aparicio N, Vicente R (2022) Source-sink dynamics in field-grown durum wheat under contrasting nitrogen supplies: key role of non-foliar organs during grain filling. Frontiers in Plant Science 13: 869680. doi: 10.3389/fpls.2022.869680 

3. Katamadze A, Vergara-Díaz O, Uberegui E, Yoldi-Achalandabaso A, Araus JL, Vicente R (2023) Evolution of wheat architecture, physiology, and metabolism during domestication and further cultivation: Lessons for crop improvement. The Crop Journal 11: 1080-1096. doi: 10.1016/j.cj.2023.06.006

4. Vergara-Diaz O, Velasco-Serrano E, Invernón-Garrido A, Katamadze A, Yoldi-Achalandabaso A, Serret MD, Vicente R (2024) Quinoa panicles contribute to carbon assimilation and are more tolerant to salt stress than leaves. Journal of Plant Physiology 292: 154161. doi: 10.1016/j.jplph.2023.154161

5. Vicente R, Vergara-Díaz O, Uberegui E, Martínez-Peña R, Morcuende R, Kefauver SC, López-Cristoffanini C, Aparicio N, Serret MD, Araus JL (2024) Non-foliar photosynthesis and nitrogen assimilation influence grain yield in durum wheat regardless of water conditions. Journal of Experimental Botany, erae064. doi: 10.1093/jxb/erae064

Laboratory's Website

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Ecofisiologia e Metabolismo de Plantas (PT)

Com o aumento da população e o impacto das alterações climáticas na agricultura, garantir a segurança alimentar enfrenta novos desafios. Os cereais são culturas económica e culturalmente importantes na bacia do Mediterrâneo, desde o pão ou trigo duro, à cevada, milho, arroz, entre outros. A compreensão dos efeitos das alterações climáticas (altas temperaturas, stress hídrico ou salino, carências nutricionais, elevado CO2, etc...) no desempenho das culturas e na evolução genética, diversidade, variabilidade e evolução da qualidade dos cereais é ainda limitada. Esta conhecimento será útil para a conceção e desenvolvimento de futuros programas de melhoramento genético nestas culturas.

O modo como as plantas respondem ao stress abiótico define uma rede complexa e sofisticada de regulação. Para abordar esta questão, no laboratório Ecofisiologia e Metabolismo de Plantas, trabalhamos com uma abordagem multidisciplinar para investigar a planta como um todo, combinando análises agronómicas, fisiológicas e moleculares dos órgãos produtores e consumidores durante o crescimento das plantas. O nosso principal objetivo é estudar a dinâmica  source-sink (entre os órgãos produtores e consumidores) e a coordenação carbono-nitrogénio nas culturas de cereais e em plantas-modelo, identificando onde e quando os nutrientes são assimilados e utilizados para o enchimento do grão dos cereais. Os objetivos específicos são (i) prever os impactos das alterações climáticas no crescimento e produtividade das plantas, (ii) compreender os mecanismos fisiológicos e moleculares subjacentes à adaptação das plantas às condições de crescimento, (iii) desenvolver métodos de alto rendimento para a fenotipagem de plantas, e (iv) identificar biomarcadores associados à tolerância e/ou alta produtividade em cenários climáticos futuros. O principal objetivo da nossa investigação é disponibilizar informação útil para futuros programas de melhoramento de culturas, ao mesmo tempo que se aumenta a eficiência da utilização de nutrientes numa base sustentável.

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