[EN] Alfalfa (Medicago sativa L.), is a forage legume with a significant content of protein, being the most widely cultivated forage around the world. In this species, the protein content decreased during growth processes as well as other resources used by the plant during the flowering process. Alfalfa also contains a lower concentration of condensed tannins or proanthocyanidins (PAs), less than required to remedy the digestive disorder of ruminant livestock causing pasture bloat by production of greenhouse gases as result of the microbial fermentation and the excessive desamination of proteins in the rumen (by-pass effect). These defects on nutrition are reflected in the yield and production of ruminants. Both problematics are difficult to improve by conventional methods. The overall objective of this thesis is to develop molecular tools useful for genetic manipulation of certain traits of agronomic interest in alfalfa, to enhance their nutritional value. At a first step, we have developed an Agrobacterium tumefaciens-mediated transformation protocol via somatic embryogenesis applicable to various genotypes of alfalfa to produce viable embryos in the 50% of the inoculated explants. Chimaeric plants or scapes were almost not detected because most of the transgenic plants contained the T-DNA with all the transgenes incorporated, having thus the indispensable tool to perform the other two objectives. We have isolated two orthologs of the TERMINAL FLOWER 1 (TFL1) gene from alfalfa (MsTFL1c and MsTFL1a). Both genes were constitutively expressed in A. thaliana, and later on in alfalfa, to evaluate their possible use as biotechnological tool for the improvement of the nutritional value of this forage legume, producing a delay in the flowering time and thereby an increase of vegetative development. MsTFL1a performs the same functions as TFL1 in Arabidopsis y its overexpression in this plant produces a remarkable delay of flowering time. In alfalfa, its constitutive expression also produces a delay in flowering. However, this phenotype was not associated to an increase of vegetative growth, being plants of reduced size that appears tied to a limitation in cell proliferation. Moreover, the limitation in cell proliferation was associated with a reduction in the expression levels of certain cell division effector genes, as it is the case of cyclins. Our results support the hypothesis that TFL1-like genes could also participate in signaling pathways that regulate cell differentiation in plants. M. sativa could be a good model to study the possible range of biochemical diversification of these proteins. On the other hand, we have made a multigenic construct in the modular cloning system GoldenBraid 2.0 (35S::Del::Ros1::MtANR::MtLAR). In a first step, it was functionally validated by transient expression in N. benthamiana. In addition, this construct was introduced by stable transformation in two experimental models (A. thaliana and N. tabacum) and later on in M. sativa, where it has been studied the integration capacity and expression levels of the different transgenes. In N. tabacum it has been achieved the activation of both the anthocyanin and PAs biosynthetic pathways. However, it was not able to activate both routes in alfalfa. The TFs Delila and Rosea1 were not able to activate the genes involved in the regulation of these metabolic pathways in alfalfa, or were not sufficient levels of expression of both TFs for this purpose. Therefore, this multigenic construct does not resulted a good biotechnological tool for the activation of PAs biosynthesis in alfalfa. Our results suggest that the mechanisms of transcriptional control of both biosynthetic pathways could be different between plant species, and that additional specific genetic information on the anthocyanin and PAs biosynthesis in legumes is needed to efficiently activate both pathways in this species. / [ES] La alfalfa (Medicago sativa L.), es una leguminosa forrajera con un importante contenido en proteína, siendo la más cultivada a nivel mundial. En esta especie, los contenidos protéicos se ven mermados por los procesos de crecimiento y los recursos utilizados por la planta en el proceso de floración. Además, la alfalfa contiene una concentración de taninos condensados o proantocianidinas (PAs) muy inferior a la requerida para subsanar el desorden digestivo del ganado rumiante que genera hinchamiento por gases de efecto invernadero o meteorismo y la excesiva desaminación de las proteínas en el rumen producida por las fermentaciones de la flora microbiana ruminal. Ambas problemáticas son difíciles de abordar mediante métodos convencionales de mejora. El objetivo general de esta Tesis es desarrollar herramientas moleculares de utilidad para la manipulación genética de determinados caracteres de interés agronómico en la alfalfa, con objeto de incrementar su valor nutricional. Para ello, hemos puesto a punto un protocolo de transformación genética mediada por Agrobacterium tumefaciens vía embriogénes somática aplicable a varios genotipos de alfalfa, que permite la producción de embriones viables capaces de germinar y producir plantas completas en el 50% de los explantes inoculados. Prácticamente no se detectó la presencia de quimeras o escapes ya que la mayoría de las plantas obtenidas contenían el T-DNA con todos los transgenes incorporados, disponiéndose por tanto de la herramienta imprescindible para la realización de los otros dos objetivos. Hemos aislado dos ortólogos del gen TERMINAL FLOWER 1 (TFL1) de alfalfa (MsTFL1c y MsTFL1a). Ambos genes se sobreexpresaron constitutivamente en A. thaliana y después en alfalfa para su posible uso como herramienta biotecnológica para producir un retraso en el tiempo de floración y con ello un posible aumento del desarrollo vegetativo. MsTFL1a extiende la fase vegetativa e inflorescente y retrasa la floración en Arabidopsis. En alfalfa su expresión constitutiva también produce retraso de la floración. Sin embargo, a este fenotipo no se le asocia un incremento del desarrollo vegetativo, presentando las plantas un tamaño más reducido que parece vinculado a una limitación en la proliferación celular. Hemos comprobado que este hecho se asocia a una reducción en los niveles de expresión de determinados genes efectores de la división celular, como es el caso de las ciclinas. Nuestros resultados apoyan la hipótesis de que los genes TFL1-like podrían participar adicionalmente en vías de señalización que regulan la diferenciación celular en plantas. También, hemos realizado una construcción multigénica mediante el sistema de clonaje por módulos GoldenBraid 2.0 (35S::Del::Ros1::MtANR::MtLAR). Se ha validado su funcionalidad mediante expresión transitoria en N. benthamiana y se ha introducido de manera estable en dos modelos experimentales: A. thaliana y N. tabacum, y en M. sativa, donde se ha estudiado su capacidad de integración, así como la de expresión de los transgenes. Hemos comprobado que esta construcción multigénica es capaz de activar la ruta de biosíntesis de antocianinas y de PAs en N. tabacum, pero no fue capaz de activar ambas rutas en alfalfa. Los factores transcripcionales Delila y Rosea1 no fueron capaces de activar los genes implicados en la regulación de ambas vías metabólicas en esta especie, o no fueron suficientes sus niveles de expresión para este fin. Por tanto, esta construcción no es una buena herramienta biotecnológica que procure la activación de la ruta de biosíntesis de PAs en la alfalfa. Nuestros resultados sugieren que los mecanismos de control transcripcional de la biosíntesis de antocianinas y PAs son diferentes entre las distintas especies, y que se necesita información genética adicional específica de la biosíntesis de antocianinas y PAs en leguminosas para poder diseñar eficientemente herrami / [CA] L'alfals (Medicago sativa L.), és una lleguminosa farratgera amb un important contingut en proteïna, sent la més cultivada a nivell mundial. En aquesta espècie, els continguts proteics es veuen desfavorits amb els processos de creixement i els requeriments utilitzats per la planta en el procés de floració. A més, l'alfals conté una concentració de tanins condensats o proantocianidines (PAs) molt inferior a la requerida per a esmenar el desorde digestiu del bestiar remugant que genera unflament per gasos o meteorisme per la producció de gasos d'efecte hivernacle, i l'excessiva desaminació de les proteïnes en el rumen produïda per les fermentacions de la flora microbiana. Ambdós problemàtiques són difícils d'abordar per mitjà de mètodes convencionals de millora. L'objectiu general d'aquesta Tesi és desenvolupar ferramentes moleculars d'utilitat per a la manipulació genètica de determinats caràcters d'interés agronòmic en l'alfals, a fi d'incrementar el seu valor nutricional. Per a això, hem posat a punt un protocol de transformació mediada per Agrobacterium tumefaciens via embriogènesi somàtica aplicable a diversos genotips d'alfals que permet la producció d'embrions viables capaços de germinar i produir plantes completes en el 50% dels explants inoculats. Pràcticament no es va detectar la presència de fugues, ja que la majoria de les plantes obtingudes contenien el T-DNA amb tots el transgens introduïts, tenint per tant la ferramenta imprescindible per a la realització dels altres dos objectius. Es van aïllar i sobreexpressar constitutivament dos ortòlegs del gen TERMINAL FLOWER 1 (TFL1) d'alfals (MsTFL1c i MsTFL1a) en A. thaliana i en alfals per al seu possible ús com a ferramenta biotecnològica, procurant un retard en el temps de floració i amb això un augment del desenvolupament vegetatiu. MsTFL1a estén la fase vegetativa i inflorescent i retarda la floració en Arabidopsis. En alfals la seua expressió constitutiva també produïx retard de la floració. No obstant això, a aquest fenotip no se li associa un increment del desenvolupament vegetatiu, sent les plantes d'una grandària més reduït que pareix vinculat a una limitació en la proliferació cel·lular. Hem comprovat que la limitació en la proliferació cel·lular s'associa a una reducció en els nivells d'expressió de determinats gens efectors de la divisió cel·lular, com és el cas de les ciclines. Els nostres resultats recolzen la hipòtesi que els gens TFL1-like podrien participar adicionalment en vies de senyalització que regulen la diferenciació cel·lular en plantes. Hem realitzat una construcció multigénica per mitjà del sistema de clonatge per mòduls GoldenBraid 2.0 (35S::Del::Ros1::MtANR::MtLAR). S'ha validat funcionalment per mitjà d'expressió transitòria en N. benthamiana. A més, s'ha introduït de manera estable en dos models experimentals (A. thaliana amb N. tabacum), i finalment en M. sativa, en els que s'ha estudiat la seua capacitat d'integració, així com la d'expressió dels transgens. Hem mostrat que aquesta construcció multigénica és capaç d'activar la ruta de biosíntesi d'antocianines i de PAs en N. tabacum. No obstant això, no van ser capaços d'activar la ruta de biosíntesi d'antocianines i per tant, la de PAs, en alfals. Els factors transcripcionals Delila i Rosea1 no són capaços d'activar els gens implicats en la regulació d'ambdues vies metabòliques en aquesta espècie, o alternativament no van ser prou els seus nivells d'expressió per a este fi. Per tant, aquesta construcció multigénica no és una bona ferramenta biotecnològica per activar la ruta de biosíntesi de PAs en l'alfals. Els nostres resultats suggerixen que els mecanismes de control transcripcional de la biosíntesi d'antocianines i PAs són diferents entre les distintes espècies, i que es necessita informació genètica addicional específica de la biosíntesi d'antocianines i PAs en lleguminoses per a / Fresquet Corrales, S. (2015). Diseño y validación de herramientas biotecnológicas para la mejora del valor nutricional de la alfalfa (Medicago sativa L.) [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/59240

Tesis por compendio / [ES] Los virus de plantas poseen la capacidad de parasitar células vegetales y poner a su disposición la maquinaria celular de la planta para la síntesis de sus propias proteínas. Aprovechando esta capacidad, la ingeniería genética ha dirigido muchos de sus esfuerzos en la modificación del genoma viral para utilizar los virus de plantas como vectores de expresión de proteínas de interés humano. Los potyvirus son un grupo de virus de plantas ampliamente estudiado y utilizado en biotecnología. Su genoma está formado por un RNA de cadena sencilla que codifica, principalmente, una poliproteína que se procesa para dar aproximadamente 10 proteínas maduras. En diferentes posiciones intercistrónicas se pueden insertar cDNAs que codifican proteínas de interés, las cuales se producen junto al resto de productos de la poliproteína. Si además estos cDNAs se flanquean por secuencias que codifican los sitios de procesamiento específicos de las proteasas virales, las proteínas heterólogas se liberan eficientemente de la poliproteína viral. Así, la inserción de un cDNA correspondiente al factor de transcripción Rosea1 de la ruta de las antocianinas en distintos potyvirus resulta en la biosíntesis de estos compuestos en las células vegetales infectadas. Las antocianinas son compuestos flavonoides coloreados que se pueden observar a simple vista, por lo que la expresión de Rosea1 es una herramienta biotecnológica muy útil para seguir la infección de virus de plantas. En esta Tesis se han investigado diferentes aplicaciones biotecnológicas basadas en la expresión del factor de transcripción Rosea1 y la consecuente acumulación de antocianinas en el contexto de la biología de los potyvirus. Primero, se construyó un clon del virus del mosaico amarillo del calabacín (ZYMV) etiquetado con Rosea1 (ZYMV-Ros1). El ZYMV es capaz de replicarse a nivel local pero no de moverse a larga distancia en plantas de Nicotiana benthamiana. Un análisis de la infección por ZYMV-Ros1 en una serie de plantas transgénicas de N. benthamiana silenciadas en distintas RNasas de tipo Dicer (DCL) permitió profundizar en el conocimiento de los mecanismos defensivos de la planta frente a este virus. Los resultados indicaron que DCL4 está implicada en restringir el movimiento sistémico del virus, ya que en plantas con este gen silenciado el virus es capaz de moverse a larga distancia. Además, las antocianinas tienen un gran interés nutricional, farmacéutico e incluso industrial, por su gran actividad antioxidante. Un clon viral derivado del virus Y de la patata (PVY) que expresaba Rosea1 (PVY-Ros1) indujo la acumulación de más antocianinas que las que contienen frutas y verduras que son fuente rica de estos valiosos antioxidantes. Este mismo clon PVY-Ros1 también se utilizó para estudiar la transmisión del virus mediante áfidos vectores, observándose como estos provocan frecuentemente el inicio de la infección en el tejido vascular. Este mismo clon viral permitió mostrar visualmente el efecto antiviral que tienen las nanopartículas de plata en plantas. Por último, en esta Tesis se combinó el factor de transcripción Rosea1 con distintas proteasas de los potyvirus para crear circuitos lógicos de regulación génica en plantas. Se observó que la fusión de distintas proteínas virales, como la proteína de inclusión nuclear b (NIb) de los potyvirus o fragmentos de ella, al extremo carboxilo terminal de Rosea1 inhibía la actividad del factor de transcripción. Sin embargo, la acumulación de antocianinas se pudo restablecer insertando sitios de reconocimiento de proteasas virales entre ambas partes y coexpresando tales proteasas. La especificidad de corte y la eficiente actividad catalítica de las proteasas de inclusión nuclear a (NIaPro) del virus del grabado del tabaco (TEV) y del virus de las venas moteadas del tabaco (TVMV) permitió construir circuitos genéticos basados en regulación postranscripcional que son capaces de realizar algunas operaciones lógicas básicas (YES, OR y AND) en tejidos vegetales. / [CA] Els virus de plantes posseeixen la capacitat de parasitar cèl·lules vegetals i posar a la seva disposició la maquinària cel·lular de la planta per a la síntesi de les seves pròpies proteïnes. Aprofitant aquesta capacitat, l'enginyeria genètica ha dirigit molts dels seus esforços a la modificació del genoma viral per utilitzar els virus de plantes com a vectors d'expressió de proteïnes d'interès humà. Els potyvirus són un grup de virus de plantes àmpliament estudiat i utilitzat en biotecnologia. El seu genoma està format per un RNA de cadena senzilla que codifica, principalment, una poliproteïna que es processa per donar aproximadament 10 proteïnes madures. En diferents posicions intercistróniques es poden inserir cDNAs que codifiquen proteïnes d'interès, les quals es produeixen alhora amb la resta de productes de la poliproteïna. Si a més aquests cDNAs es flanquegen per seqüències que codifiquen els llocs de processament específics de les proteases virals, les proteïnes heteròlogues s'alliberen eficientment de la poliproteïna viral. Així, la inserció d'un cDNA corresponent al factor de transcripció Rosea1 de la ruta de les antocianines en diferents potyvirus resulta en la biosíntesi d'aquests compostos en les cèl·lules vegetals infectades. Les antocianines són compostos flavonoides colorits que es poden observar a simple vista, de manera que l'expressió de Rosea1 és una eina biotecnològica molt útil per seguir la infecció de virus de plantes. En aquesta Tesi s'han investigat diferents aplicacions biotecnològiques basades en l'expressió del factor de transcripció Rosea1 i la conseqüent acumulació d'antocianines en el context de la biologia dels potyvirus. Primer, es va construir un clon del virus del mosaic groc del carbassó (ZYMV) etiquetat amb Rosea1 (ZYMV-Ros1). El ZYMV és capaç de replicar-se a nivell local però no de moure's a llarga distància en plantes de Nicotiana benthamiana. Un anàlisi de la infecció per ZYMV-Ros1 en una sèrie de plantes transgèniques de N. benthamiana silenciades en diferents RNases de tipus Dicer (DCL) va permetre aprofundir en el coneixement dels mecanismes defensius de la planta front aquest virus. Els resultats van indicar que DCL4 està implicada en restringir el moviment sistèmic del virus, ja que en plantes amb aquest gen silenciat el virus és capaç de moure's a llarga distància. A més, les antocianines són objecte d'un gran interès nutricional, farmacèutic i fins i tot industrial, per la seva gran activitat antioxidant. Un clon viral derivat del virus Y de la patata (PVY) que expressava Rosea1 (PVY-Ros1) va induir l'acumulació de més antocianines que les que contenen fruites i verdures que són font rica d'aquests valuosos antioxidants. Aquest mateix clon PVY-Ros1 es va utilitzar per estudiar la transmissió del virus mitjançant àfids vectors, observant com aquests provoquen freqüentment l'inici de la infecció en el teixit vascular. Aquest mateix clon viral també va permetre mostrar visualment l'efecte antiviral que tenen les nanopartícules de plata en plantes. Finalment, en aquesta Tesi es va combinar el factor de transcripció Rosea1 amb diferents proteases dels potyvirus per crear circuits lògics de regulació gènica en plantes. Es va observar que la fusió de diferents proteïnes virals, com la proteïna d'inclusió nuclear b (NIb) dels potyvirus o fragments d'ella, a l'extrem carboxil terminal de Rosea1 inhibia l'activitat del factor de transcripció. No obstant això, l'acumulació d'antocianines es va poder restablir inserint llocs de reconeixement de les proteases virals entre les dues parts i coexpressant aquestes proteases. L'especificitat de tall i l'eficient activitat catalítica de les proteases d'inclusió nuclear a (NIaPro) del virus del gravat del tabac (TEV) i del virus de les venes clapejades del tabac (TVMV) va permetre construir circuits genètics basats en regulació postranscripcional que són capaços de realitzar algunes operacions lògiques bàsiques (YES, OR i AND) en teixits vegetals. / [EN] Plant viruses have the ability to parasitize plant cells and use the plant cellular machinery for the synthesis of their own proteins. Taking advantage of this capacity, genetic engineering has focused many of its efforts in modifying the viral genome in order to use modified plant viruses as expression vectors of proteins of human interest. These proteins are stored in host plants that act as low-cost and highly secure biofactories. Potyviruses are a group of plant viruses widely studied and used in biotechnology. Their genome consist of a single-stranded RNA that mainly encodes a polyprotein that is processed in approximately 10 mature proteins. cDNAs flanked by protease specific processing sequences can be inserted in different intercistronic positions and efficiently processed by the viral proteases to produce proteins of interest together with the rest of the viral polyprotein products. Thus, the insertion of the cDNA corresponding to the transcription factor Rosea1 of the anthocyanin pathway in different potyviruses results in the biosynthesis of these compounds in infected plant cells. Anthocyanins are colored flavonoid compounds that can be observed with the naked eye, and thus, the expression of Rosea1 is a very useful biotechnological tool to follow the infection of plant viruses. In this work, we provided different biotechnological applications based on the expression of this transcription factor and the consequent accumulation of anthocyanins in the context of potyvirus biology. First, a zucchini yellow mosaic virus (ZYMV, genus Potyvirus) clone tagged with Rosea1 (ZYMV-Ros1) was constructed. ZYMV is able to replicate locally but not to move long distances in Nicotiana benthamiana plants. We analyzed the infection by ZYMV-Ros1 in a series of N. benthamiana transgenic plants in which the different Dicer-like (DCL) RNases were slilenced. The results showed that DCL4 is involved in restricting the systemic movement of the virus in N. benthamiana plants. This study allowed to deepen the knowledge of the defense mechanisms of the plant against this virus. Besides their biotechnological potential as markers of biological activities, anthocyanins have great nutritional, pharmaceutical and even industrial interest due to their high antioxidant activity. We found that a potato virus Y clone (PVY; genus Potyvirus) expressing Rosea1 (PVY-Ros1) induced the accumulation of a higher amount of anthocyanins than those contained in fruits and vegetables that are a rich source of these valuable antioxidants. The PVY-Ros1 clone was also used to study the transmission of the virus by aphid vectors. We observed that aphids frequently initiate infection in vascular tissue. This viral clone also allowed to visually show the antiviral effect of silver nanoparticles in plants. Finally, in this work, the Rosea1 transcription factor was combined with different potyvirus proteases to create genetic circuits in plants. We observed that the fusion of the nuclear inclusion protein b (NIb) of potyviruses, or fragments of it, to the carboxyl terminal end of Rosea1 inhibited the activity of the transcription factor. However, the accumulation of anthocyanins could be restored by inserting viral protease recognition sites in between NIb and Rosea1 and co-expressing those proteases. The cleavage specificity and the efficient catalytic activity of nuclear inclusion a proteases (NIaPro) of tobacco etch virus (TEV; genus Potyvirus) and tobacco spotted vein virus (TVMV; genus Potyvirus) allowed the construction of genetic circuits based on post-transcriptional regulation that are capable of performing some basic logical operations (YES, OR and AND) in plant tissues. / This work was supported by the Spanish Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO) through grants BIO2014-54269-R and AGL2013-49919-EXP, and by the Greek Ministry for Education and Religious Affairs (Program Aristeia II, 4499, ViroidmiR; ESPA 2007-2013). This research was supported by the Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (Spain) grants AGL2013-49919-EXP, BIO2014-54269-R, BFU2015-66894-P and BIO2017-83184-R (co-financed FEDER funds) and by the Engineering and Physical Sciences Research Council and the Biotechnology and Biological Sciences Research Council (UK) grant BB/M017982/1. / Cordero Cucart, MT. (2021). Aplicaciones del factor de transcripción Rosea1 de la ruta de las antocianinas como marcador visual en virología molecular y biotecnología de plantas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/171455 / Compendio