The main objectives of this work are:a) To test the predictions of suppressed-recombination chromosomal speciation models on two different lineages of mammals: rodents and rimates. Suppressed-recombination chromosomal speciation is still quite elusive as a mode of speciation in mammals. Experimental results are scarce and the first objective of this work is to analyze whole-genome data looking for traces of events of chromosomal speciation. Rodent and primate lineages were chosen for this search, not just because of their particular biological and cytological characteristics, which make them good candidates to have speciated by this mechanism, but also because they were the first mammalian organisms to be fully sequenced. b) To study the effects of chromosomal rearrangements on genic evolutionary rates. As have been seen in the introduction, there are many of potential interactions among chromosomal rearrangements and evolutionary rates, so the second goal of this work was to try to understand the impact of chromosomal rearrangements over substitution rates by means of other mechanisms not related with speciation. c) To distinguish individual contributions of different genomic factors in the potential association among chromosomal rearrangements and evolutionary rates.The third main goal of this thesis was to discern among the different factors that could be explaining the many associations between chromosomal and genic evolution that were detected in different studies.

Tesis por compendio / [ES] Actualmente, hay un progresivo interés por una dieta equilibrada y saludable, rica en frutas y verduras con un efecto positivo en la salud y, particularmente, con alto contenido en antioxidantes. Paralelamente existe una demanda, por parte del consumidor, de fruta de alta calidad que tenga un sabor equilibrado y que recuerde a las variedades tradicionales. Todo ello ha propiciado que los programas de mejora genética también tengan como objetivo la mejora de la calidad de la fruta, tanto en propiedades fisicoquímicas del fruto como de su perfil nutricional. Desde este punto de vista, el albaricoque es un fruto muy completo ya que es una fuente extraordinaria de fibra, vitaminas, compuestos fenólicos y ácidos orgánicos. Sus propiedades hacen posible su consumo tanto en fresco o como procesado, lo que es aprovechado por las industrias agroalimentaria, farmacéutica y cosmética para la elaboración de una amplia variedad de productos. En el Instituto Valenciano de Investigaciones Agrarias (IVIA) se está llevando a cabo un programa de mejora para la obtención de nuevas variedades de albaricoquero que, además de solucionar factores que afectan directamente a la producción, como son la autocompatibilidad o resistencia a Sharka, también tiene por objetivo la mejora de la calidad de la fruta. Como primer paso en todo programa de mejora, en este trabajo se han identificado fuentes de variación entre la colección de accesiones del banco de germoplasma del IVIA, quedando detallada la composición del perfil para los principales azúcares, ácidos orgánicos, compuestos fenólicos y de vitamina C. Además, se ha identificado una mayor concentración de compuestos en la piel del fruto que en su pulpa, lo que hace de este tejido una fuente de compuestos de interés para la industria. Por otro lado, para un mejor conocimiento del control genético del metabolismo de azúcares, se estudió la expresión de los genes clave implicados en esta ruta (SUS, SPS y FK), relacionados con QTLs previamente descritos en materia de sólidos solubles. Además, también se reforzó el estudio con el correspondiente análisis filogenético entre diferentes especies, observándose el grado de conservación entre las mismas y confirmándose el alto grado de sintenia en el género Prunus. Con relación a los compuestos fenólicos, se ha analizado la expresión de genes implicados en puntos críticos de la ruta metabólica (DRF, PAL y FLS). Nuestros resultados revelaron que las variedades más rojizas se asocian a una mayor expresión de ParDFR y ParPAL2, así como también que las diferencias de expresión entre parálogos podría deberse a la presencia de un BOXCOREDLPAL, relacionado también con los genes implicados en la síntesis de antocianinas (ParDFR, ParFLS2 y ParPAL2). Paralelamente, también se estudió el efecto genético que ejerce sobre su descendencia la variedad 'Goldrich', uno de los principales genitores empleados en el programa de mejora para la introgresión de la resistencia a Sharka, concluyendo que favorece la concentración de neoclorogénico y clorogénico, así como en la expresión génica de ParPAL1. / [CA] Actualment, hi ha un progressiu interés per una dieta equilibrada i saludable, rica en fruites i verdures amb un efecte positiu en la salut i, particularment, amb alt contingut en antioxidants. Paral·lelament existeix una demanda, per part del consumidor, de fruita d'alta qualitat que tinga un sabor equilibrat i que recorde a les varietats tradicionals. Tot això, ha propiciat que els programes de millora genètica també tinguen com a objectiu la millora de la qualitat de la fruita, tant en propietats fisicoquímiques del fruit com del seu perfil nutricional. Des d'aquest punt de vista, l'albercoc és un fruit molt complet ja que és una font extraordinària de fibra, vitamines, compostos fenòlics i àcids orgànics. Les seues propietats fan possible el seu consum tant en fresc com processat, sent també aprofitat per les indústries agroalimentària, farmacèutica i cosmètica per a l'elaboració d'una àmplia varietat de productes. A l'Institut Valencià d'Investigacions Agràries (IVIA) s'està duent a terme un programa de millora per a l'obtenció de noves varietats d'albercoquer que, a més de solucionar factors que afecten directament la producció, com són l'autocompatibilitat o resistència a Sharka, també té per objectiu la millora de la qualitat de la fruita. Com a primer pas en qualsevol programa de millora, en aquest treball s'han identificat fonts de variació entre la col·lecció d'accessions del banc de germoplasma de l'IVIA, quedant detallada la composició del perfil per als principals sucres, àcids orgànics, compostos fenòlics i de vitamina C. A més, s'ha identificat una major concentració de compostos en la pell del fruit que en la seua polpa, convertint aquest teixit en una font de compostos d'interés per a la indústria. D'altra banda, per a un millor coneixement del control genètic del metabolisme de sucres, es va estudiar l'expressió dels gens clau implicats en aquesta ruta (SUS, SPS i FK), relacionats amb QTLs prèviament descrits en matèria de sòlids solubles. A més, també es va reforçar l'estudi amb la corresponent anàlisi filogenètica entre diferents espècies, observant-se el grau de conservació entre les mateixes i confirmant-se l'alt grau de sintenia al gènere Prunus. En relació amb els compostos fenòlics, s'ha analitzat l'expressió de gens implicats en punts crítics de la ruta metabòlica (DRF, PAL i FLS). Els nostres resultats van revelar que les varietats més vermelles s'associen a una major expressió de ParDFR i ParPAL2, així com també que les diferències d'expressió entre paràlogs podria deure's a la presència d'un BOXCOREDLPAL, relacionat també amb els gens implicats en la síntesi de antocianines (ParDFR, ParFLS2 i ParPAL2). Paral·lelament, també es va estudiar l'efecte genètic que exerceix sobre la seua descendència la varietat 'Goldrich', un dels principals genitors empleats al programa de millora per a la introgressió de la resistència a Sharka, concloent que afavoreix la concentració de neoclorogènic i clorogènic, així com en l'expressió gènica de ParPAL1. / [EN] Nowadays, there is a growing interest in a balanced and healthy diet, rich in fruit and vegetables with a positive effect on health and, particularly, with high antioxidant content. Simultaneously exists a consumer demand for high quality fruit with a balanced flavour and reminiscent of traditional varieties. As a result, breeding programmes are also aimed at improving the quality of the fruit, both in terms of the physicochemical properties of the fruit and its nutritional profile. From this point of view, the apricot is a complete fruit as far it is an extraordinary source of fibre, vitamins, phenolic compounds, and organic acids. Apricot properties make it possible to consume fruits both fresh and processed, which is exploited by the agri-food, pharmaceutical and cosmetic industries for the production of a wide variety of products. At the Instituto Valenciano de Investigaciones Agrarias (IVIA) a breeding program is carrying out to obtain new apricot varieties but also to solve factors that directly affect production, such as self-compatibility or resistance to Sharka, but also is aimed to improve fruit quality. As the first step in any breeding program, this work has identified sources of variation among the collection of accessions in the IVIA's apricot collection, detailing the composition profiles for the main sugars, organic acids, phenolic compounds, and vitamin C. In addition, a higher concentration of compounds has been identified in the peel than in the flesh, which makes this tissue a source of compounds of interest for the industry. On the other hand, for a better knowledge of the genetic control of sugar metabolism, the expression of the key genes involved in this pathway (SUS, SPS and FK), related to QTLs previously described in soluble solids, was studied. In addition, the study was also supported with the corresponding phylogenetic analysis among different species, revealing the level of conservation among them and confirming the high level of synteny in the genus Prunus. Regarding phenolic compounds, the expression of genes involved in critical points of the metabolic pathway (DRF, PAL and FLS) was analysed. Our results revealed that the red-blushed accessions are associated with a higher expression of ParDFR and ParPAL2, and the expression differences among paralogues could be due to the presence of a BOXCOREDLPAL, also related to genes involved in anthocyanin biosynthesis (ParDFR, ParFLS2 and ParPAL2). Simultaneously, the genetic effect in the offspring of 'Goldrich', one of the main genitors used at the breeding program for the introgression of Sharka resistance, was also studied. Results revealed that it improves the concentration of neochlorogenic and chlorogenic acids, as well as the genetic expression of ParPAL1. / Este trabajo ha sido posible gracias a la ayuda predoctoral FPI-INIA-2015, del Instituto Nacional de Investigación y Tecnología Agraria y Alimentaria (INIA), bajo el proyecto FPI2015-0042 con la denominación ‘CPD2015-0245 Mejora sostenible de albaricoquero y melocotonero’ y desarrollado en el Instituto Valenciano de Investigaciones Agrarias (IVIA), dependiente de la Generalitat Valenciana. / Gómez Martínez, H. (2021). Variation of Fruit Quality Traits in Apricot as Sources for Nutraceutical Breeding [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/178973 / Compendio

[ES] Esta Tesis ha sido dedicada al modelado multiescala considerando al anfitrión celular para el análisis y ajuste de circuitos genéticos sintéticos para bioproducción. Los objetivos principales fueron: 1. El desarrollo de un modelo que considere el anfitrión celular de tamaño reducido enfocado para simulación y análisis. 2. El desarrollo de herramientas de programación para el modelado y la simulación, orientada a la biología sintética. 3. La implementación de un modelo multiescala que considere las escalas relevantes para la bioproducción (biorreactor, célula y circuito sintético). 4. El análisis del controlador antitético considerando las interacciones célula-circuito, como ejemplo de aplicación de las herramientas desarrolladas. 5. El desarrollo y la validación experimental de leyes de control robusto para biorreactores continuos. El trabajo presentado en esta Tesis cubre las tres escalas del proceso de bioproducción. La primera escala es el biorreactor: esta escala considera la dinámica macroscópica del sustrato y la biomasa, y como estas dinámica se conecta con el estado interno de las células. La segunda escala es la célula anfitriona: esta escala considera la dinámica interna de la célula y la competencia por los recursos limitados compartidos para la expresión de proteínas. La tercera escala es el circuito genético sintético: esta escala considera la dinámica de expresión de los circuitos sintéticos exógenos y la carga que inducen en la célula anfitriona. Por último, como <<cuarta>> escala, parte de la Tesis se ha dedicado a desarrollar herramientas de software para el modelado y la simulación. Este documento se divide en siete capítulos. El Capítulo 1 es una introducción general al trabajo de la Tesis y su justificación; también presenta un mapa visual de la Tesis y enumera las principales contribuciones. El Capítulo 2 muestra el desarrollo del modelo del anfitrión celular (los Capítulos 4 y 5 hacen uso de este modelo para sus simulaciones). El Capítulo 3 presenta OneModel: una herramienta de software desarrollada en la Tesis que facilita el modelado y la simulación en biología sintética, en particular, facilita el uso del modelo del anfitrión celular. El Capítulo 4 utiliza el modelo del anfitrión celular para montar el modelo multiescala que considera el biorreactor y analiza el título, la productividad y el rendimiento en la expresión de una proteína exógena. El Capítulo 5 analiza un circuito más complejo, el recientemente propuesto y muy citado controlador biomolecular antitético, utilizando el modelo del anfitrión celular. El Capítulo 6 muestra el diseño de estrategias de control no lineal que permiten controlar la concentración de biomasa en un biorreactor continuo de forma robusta. El Capítulo 7 resume y presenta las principales conclusiones de la Tesis. En el Apéndice A se muestra el desarrollo teórico del modelo del anfitrión celular. Esta Tesis destaca la importancia de estudiar la carga celular en los sistemas biológicos, ya que estos efectos son muy notables y generan interacciones entre circuitos aparentemente independientes. La Tesis proporciona herramientas para modelar, simular y diseñar circuitos genéticos sintéticos teniendo en cuenta estos efectos de carga y permite el desarrollo de modelos que conecten estos fenómenos en los circuitos genéticos sintéticos, que van desde la dinámica intracelular de la expresión génica hasta la dinámica macroscópica de la población de células dentro del biorreactor. / [CA] Aquesta Tesi tracta del modelat multiescala considerant l'amfitrió ce\lgem ular per a l'anàlisi i ajust de circuits genètics sintètics per a bioproducció. Els objectius principals van ser: 1. El desenvolupament d'un model de grandària reduïda que considere l'amfitrió ce\lgem ular, enfocat al seu ús en simulació i anàlisi. 2. El desenvolupament d'eines de programari per al modelatge i la simulació, orientada a la biologia sintètica. 3. La implementació d'un model multiescala que considere les escales rellevants per a la bioproducció (bioreactor, cè\lgem ula i circuit sintètic). 4. L'anàlisi del controlador antitètic considerant les interacciones cè\lgem ula-circuit, com a exemple d'aplicació de les eines desenvolupades. 5. El desenvolupament i la validació experimental de lleis de control robust per a bioreactors continus. El treball presentat en aquesta Tesi cobreix les tres escales del procés de bioproducció. La primera escala és el bioreactor: aquesta escala considera la dinàmica macroscòpica del substrat i la biomassa, i com aquestes dinàmiques es connecten amb l'estat intern de les cè\lgem ules. La segona escala és la cè\lgem ula amfitriona: aquesta escala considera la dinàmica interna de la cè\lgem ula i la competència pels recursos limitats compartits per a l'expressió de proteïnes. La tercera escala és la del circuit genètic sintètic: aquesta escala considera la dinàmica d'expressió de circuits sintètics exógens i la càrrega que indueixen en la cè\lgem ula amfitriona. Finalment, com a <<quarta>> escala, part de la Tesi s'ha dedicat a desenvolupar eines de programari per al modelatge i la simulació. Aquest document es divideix en set capítols. El Capítol 1 és una introducció general al treball de la Tesi i la seua justificació; també presenta un mapa visual de la Tesi i enumera les principals contribucions. El Capítol 2 mostra el desenvolupament del model de l'amfitrió ce\lgem ular (els Capítols 4 i 5 fan ús d'aquest model per a les seues simulacions). El Capítol 3 presenta OneModel: una eina de programari desenvolupada en la Tesi que facilita el modelatge i la simulació en biologia sintètica, en particular, facilita l'ús del model de l'amfitrió ce\lgem ular. El Capítol 4 utilitza el model de l'amfitrió ce\lgem ular per a muntar el model multiescala que considera el bioreactor i analitza el títol, la productivitat i el rendiment en l'expressió d'una proteïna exògena. El Capítol 5 analitza un circuit més complex, el recentment proposat i molt citat controlador biomolecular antitètic, utilitzant el model de l'amfitrió ce\lgem ular. El Capítol 6 mostra el disseny d'estratègies de control no lineal que permeten controlar la concentració de biomassa en un bioreactor continu de manera robusta. El Capítol 7 resumeix i presenta les principals conclusions de la Tesi. En l'Apèndix A es mostra el desenvolupament teòric del model de l'amfitrió ce\lgem ular. Aquesta Tesi destaca la importància d'estudiar la càrrega ce\lgem ular en els sistemes biològics, ja que aquests efectes són molt notables i generen interaccions entre circuits aparentment independents. La Tesi proporciona eines per a modelar, simular i dissenyar circuits genètics sintètics tenint en compte aquests efectes de càrrega i permet el desenvolupament de models que connecten aquests fenòmens en els circuits genètics sintètics, que van des de la dinàmica intrace\lgem ular de l'expressió gènica fins a la dinàmica macroscòpica de la població de cè\lgem ules dins del bioreactor. / [EN] This Thesis was devoted to the multi-scale host-aware analysis and tuning of synthetic gene circuits for bioproduction. The main objectives were: 1. The development of a reduced-size host-aware model for simulation and analysis purposes. 2. The development of a software toolbox for modeling and simulation, oriented to synthetic biology. 3. The implementation of a multi-scale model that considers the scales relevant to bioproduction (bioreactor, cell, and synthetic circuit). 4. The host-aware analysis of the antithetic controller, as an example of the application of the developed tools. 5. The development and experimental validation of robust control laws for continuous bioreactors. The work presented in this Thesis covers the three scales of the bioproduction process. The first scale is the bioreactor: this scale considers the macroscopic substrate and biomass dynamics and how these dynamics connect to the internal state of the cells. The second scale is the host cell: this scale considers the internal dynamics of the cell and the competition for limited shared resources for protein expression. The third scale is the synthetic genetic circuit: this scale considers the dynamics of expressing exogenous synthetic circuits and the burden they induce on the host cell. Finally, as a <<fourth>> scale, part of the Thesis was devoted to developing software tools for modeling and simulation. This document is divided into seven chapters. Chapter 1 is an overall introduction to the Thesis work and its justification; it also presents a visual map of the Thesis and lists the main contributions. Chapter 2 shows the development of the host-aware model (Chapters 4 and 5 make use of this model for their simulations). Chapter 3 presents OneModel: a software tool developed in the Thesis that facilitates modeling and simulation for synthetic biology---in particular, it facilitates the use of the host-aware model---. Chapter 4 uses the host-aware model to assemble the multi-scale model considering the bioreactor and analyzes the titer, productivity (rate), and yield in expressing an exogenous protein. Chapter 5 analyzes a more complex circuit, the recently proposed and highly cited antithetic biomolecular controller, using the host-aware model. Chapter 6 shows the design of nonlinear control strategies that allow controlling the concentration of biomass in a continuous bioreactor in a robust way. Chapter 7 summarizes and presents the main conclusions of the Thesis. Appendix A shows the theoretical development of the host-aware model. This Thesis emphasizes the importance of studying cell burden in biological systems since these effects are very noticeable and generate interactions between seemingly unconnected circuits. The Thesis provides tools to model, simulate and design synthetic genetic circuits taking into account these burden effects and allowing the development of models that connect phenomena in synthetic genetic circuits, ranging from the intracelullar dynamics of gene expression to the macroscopic dynamics of the population of cells inside the bioreactor. / This research was funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 grant number PID2020-117271RB-C21, and MINECO/AEI, EU grant number DPI2017-82896- C2-1-R. The author was recipient of the grant “Programa para la Formación de Personal Investigador (FPI) de la Universitat Politècnica de València — Subprograma 1 (PAID-01-2017)”. The author was also a grantee of the predoctoral stay “Ayudas para Movilidad de Estudiantes de Doctorado de la Universitat Politècnica de València 2019”. The Control Theory and Systems Biology Lab of the ETH Zürich is acknowledged for accepting the author in their facilities as predoctoral stay and their valuable collaboration sharing knowledge. / Santos Navarro, FN. (2022). Multi-Scale Host-Aware Modeling for Analysis and Tuning of Synthetic Gene Circuits for Bioproduction [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/183473 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales