Genotypes of rapeseeds producing yellow seeds were not found in nature. Breeders yellow-seeded rapeseeds have been developed applying different combinations of interspecific crosses. In the Laboratory of Genetics-Biotechnology at the Lithuanian Agricultural University, yellow-seeded spring rapeseeds were developed for the first time without interspecific crosses (Burbulis, 2001). All cultivars of yellow-seeded rapeseed have one essential drawback – unblocking of pigmentation takes place in other generations and seeds of different colours (yellowish brown, brown or black) are formed. Breeders, working with the cultivars of yellow-seeded rapeseed, admit that environmental temperature is one of the factors limiting the manifestation of the trait.

Tesis por compendio / [EN] Cannabis sativa L. (Cannabaceae) is an angiosperm, allogamous and dicotyledonous species that includes short and neutral-day varieties with dioecious specimens (males and females), and monoecious plants. Among its many applications, its industrial and medicinal uses stand out. Despite the fact that cannabis has been used by humans since ancient times and the growing interest that the C. sativa therapeutic properties have aroused in researchers around the world, the psychoactivity of some of its varieties, derived from its ¿9-tetrahydrocannabinol (THC) content, has motivated the prohibition of its cultivation for almost sixty years. The strict control to which cannabis has been subjected has prevented professionals from all over the world from carrying out genetic breeding programs for this species, which has resulted in the absence of uniform varieties. In this Doctoral Thesis, different biotechnological tools for cannabis genetic improvement have been developed. In the first place, given the lack of reproducibility of some cannabis plant in vitro regeneration protocols and the great influence that the genotype exerts on their effectiveness, plant in vitro regeneration competence of different explants was evaluated. As a result, an hormone-free protocol from C. sativa hypocotyls that presents high regeneration rates (ranging from 32.26% to 71.15%) in all the genotypes evaluated, also presenting a 17.94% of spontaneous rooting rate of regenerants has been developed. At the same time, the polysomatic pattern of different cannabis explants has been studied, and it has been possible to regenerate, from them, a significant percentage of mixoploid specimens (17.65% from cotyledons and 13.33% from hypocotyls) that, as described in the existing literature, could show a greater capacity for cannabinoid synthesis. On the other hand, given the absence of scientific publications in this regard, and the potential that this technique presents to alleviate the intrinsic variability of this species, the most in-depth study to date on the male floral biology of C. sativa has been developed. Up to 476,903 microspores and pollen grains per male flower, with in vivo microspore viability rates from 53.71 to 70.88% have been found. Furthermore, all stages of development of the microgametophyte have been correlated with an easily measurable floral morphological marker such as the bud length, identifying bud length intervals containing mostly vacuolate microspores and young bi-cellular pollen grains in all the phenotypes evaluated. In this way, and although the starch presence in C. sativa microspores and pollen grains follows a similar pattern to that observed in species recalcitrant to androgenesis, it has been possible to address the induction of microspore embryogenesis in this species, obtaining for the first time microspore-derived multicellular structures after one week long cold-shock bud pretreatment. Finally, as a prerequisite for the genetic editing of C. sativa by using the Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR)/Cas systems, and taking advantage of the in vitro plant regeneration protocol which resulted from this Doctoral Thesis, it has been possible to develop for the first time a protocol for the production of stably transformed cannabis plants, which represents a historical milestone in the genetic improvement of the species. After co-culture with A. tumefaciens and subsequent culture in antibiotic-containing selective regeneration medium, hypocotyls achieved 23.1% and 5.0% of regeneration and transformation rates respectively. As a whole, the present Doctoral Thesis provides a range of biotechnological tools that will allow the development of a new generation of high-yield cannabis varieties with uniform traits, resistant to multiple biotic and abiotic stresses, and therefore being suitable for both industrial and medicinal use. / [ES] Cannabis sativa L. (Cannabaceae) es una especie angiosperma, alógama y dicotiledónea compuesta por variedades de día corto y día neutro que presentan ejemplares dioicos (machos y hembras), y plantas monoicas. Entre sus múltiples aplicaciones destacan tanto su uso industrial como su uso medicinal. A pesar de que el cannabis ha sido empleado por el ser humano desde tiempos ancestrales, la psicoactividad que presentan algunas de sus variedades, derivada de su contenido en ¿ 9 -tetrahidrocannabinol (THC), ha motivado la prohibición de su cultivo durante casi sesenta años. La estricta fiscalización a la que ha sido sometido el cannabis, ha impedido llevar a cabo programas de mejora genética de esta especie, lo que se ha traducido en la ausencia de variedades uniformes. En esta Tesis Doctoral se han desarrollado diferentes herramientas biotecnológicas para la mejora genética del cannabis. En primer lugar, dada la falta de reproducibilidad de algunos protocolos de cultivo in vitro de cannabis y la gran influencia que el genotipo ejerce en la efectividad de los mismos, se evaluó la capacidad de regeneración in vitro de diferentes explantes. Como resultado, se ha desarrollado un protocolo libre de hormonas a partir de hipocótilos de C. sativa que presenta altas tasas de regeneración (las cuales oscilan del 32,26% al 71,15%) en todos los genotipos evaluados, presentando además un 17,94% de tasa de enraizado espontáneo de los regenerantes. A su vez, se ha estudiado el patrón polisomático de diferentes explantes de cannabis y se ha conseguido regenerar, a partir de los mismos, un porcentaje significativo de ejemplares mixoploides (17,65% procedentes de cotiledones y 13,33% de hipocotilos) que, tal y como describe la bibliografía existente, podrían mostrar una mayor capacidad de síntesis de cannabinoides. Por otro lado, dada la ausencia de publicaciones científicas al respecto y el potencial que esta técnica presenta para paliar la variabilidad intrínseca de esta especie, se ha desarrollado el estudio más profundo hasta la fecha relativo a la biología floral masculina de C. sativa. Se han descrito hasta 476.903 microsporas y granos de polen por flor masculina, con tasas de viabilidad in vivo de las microsporas del 53,71 al 70,88%. Además, se han correlacionado todas las etapas de desarrollo del microgametofito con la longitud de la yema, identificando intervalos de longitud de yema que contienen mayoritariamente microsporas vacuoladas y granos de polen joven bicelular en todos los fenotipos evaluados. De este modo, y aunque la presencia de almidón en las microsporas y granos de polen de C. sativa sigue un patrón similar al observado en especies recalcitrantes a la androgénesis, ha sido posible abordar la inducción de la embriogénesis de microsporas en esta especie, consiguiendo producir por primera vez estructuras multicelulares derivadas de las microsporas tras aplicar sobre las yemas un pretratamiento de frío de una semana de duración. Finalmente, como requisito previo para la edición genética de C. sativa mediante los sistemas CRISPR/Cas, y haciendo uso del protocolo de regeneración in vitro de plantas surgido de la presente Tesis Doctoral, se ha conseguido desarrollar por primera vez un protocolo para producir plantas de cannabis transformadas genéticamente de forma estable, lo que supone un hito histórico en la mejora genética de la especie. Después del cocultivo con A. tumefaciens y el posterior cultivo en medio de regeneración selectiva con antibióticos, los hipocótilos lograron respectivamente un 23,1% y un 5,0% de tasas de regeneración y transformación. En su conjunto, la presente Tesis Doctoral proporciona un abanico de herramientas biotecnológicas que permitirán el desarrollo de una nueva generación de variedades de cannabis de alto rendimiento, que presenten caracteres homogéneos, resistentes a múltiples estreses tanto bióticos como abióticos, y siendo así aptas tanto para un uso industrial como medicinal. / [CAT] Cannabis sativa L. (Cannabaceae) és una espècie angiosperma, alógama i dicotiledònia composta per varietats de dia curt i dia neutre que presenten exemplars dioics (mascles i femelles), i plantes monoiques. Entre les seues múltiples aplicacions destaquen tant el seu ús industrial com el seu ús medicinal. Tot i que el cànnabis ha sigut emprat per l'ésser humà des de temps ancestrals, la psicoactivitat que presenten algunes de les seues varietats, derivada del seu contingut en ¿9-tetrahidrocannabinol (THC), ha motivat la prohibició del seu cultiu durant gairebé seixanta anys. L'estricta fiscalització a la qual ha sigut sotmés el cànnabis, ha impedit que professionals de tot el món puguen dur a terme programes de millora genètica d'aquesta espècie, la qual cosa s'ha traduït en l'absència de varietats uniformes. En aquesta Tesi Doctoral s'han desenvolupat diferents eines biotecnològiques per a la millora genètica del cànnabis. En primer lloc, donada la falta de reproducibilitat d'alguns protocols de cultiu in vitro de cànnabis i la gran influència que el genotip exerceix en l'efectivitat d'aquests, es va avaluar la capacitat de regeneració in vitro de diferents explants. Com a resultat, s'ha desenvolupat un protocol lliure d'hormones a partir de hipocòtils de C. sativa que presenta altes taxes de regeneració (les quals oscil·len del 32,26% al 71,15%) en tots els genotips avaluats, presentant a més un 17,94% de taxa d'arrelat espontani dels regenerants. Al mateix temps, s'ha estudiat el patró polisomàtic de diferents explants de cànnabis i s'ha aconseguit regenerar, a partir d'aquests, un percentatge significatiu d'exemplars mixoploids (17,65% procedents de cotilèdons i 13,33% de hipocòtils) que, tal com descriu la bibliografia existent, podrien mostrar una major capacitat de síntesi de cannabinoids. D'altra banda, donada l'absència de publicacions científiques sobre aquest tema i el potencial que aquesta tècnica presenta per a pal·liar la variabilitat intrínseca d'aquesta espècie, s'ha desenvolupat l'estudi més profund fins hui relatiu a la biologia floral masculina de C. sativa. S'han descrit fins a 476.903 microspores i grans de pol·len per flor masculina, amb taxes de viabilitat in vivo de les microspores del 53,71 al 70,88%. A més, s'han correlacionat totes les etapes de desenvolupament del microgametòfit amb la longitud de la gemma, identificant intervals de longitud de gemma que contenen majoritàriament microspores vacuolades i grans de pol·len jove bi-cel·lular en tots els fenotips avaluats. D'aquesta manera, i encara que la presència de midó en les microspores i grans de pol·len de C. sativa segueix un patró similar a l'observat en espècies recalcitrants a la androgènesi, ha sigut possible abordar la inducció de la embriogènesi de microspores en aquesta espècie, aconseguint produir per primera vegada estructures multicel·lulars derivades de les microspores després d'aplicar sobre les gemmes un pretractament de fred d'una setmana de duració. Finalment, com a requisit previ per a l'edició genètica de C. sativa mitjançant els sistemes CRISPR/Cas, i fent ús del protocol de regeneració in vitro de plantes sorgit de la present Tesi Doctoral, s'ha aconseguit desenvolupar per primera vegada un protocol per a produir plantes de cànnabis transformades genèticament de manera estable, la qual cosa suposa una fita històrica en la millora genètica de l'espècie. Després del cocultiu amb A. tumefaciens i el posterior cultiu en medi de regeneració selectiva amb antibiòtics, els hipocòtils van aconseguir respectivament un 23,1% i un 5,0% de taxes de regeneració i transformació. En el seu conjunt, la present Tesi Doctoral proporciona un ventall d'eines biotecnològiques que permetran el desenvolupament d'una nova generació de varietats de cànnabis d'alt rendiment, que presenten caràcters homogenis, resistents a múltiples estressos tant biòtics com abiòtics, i sent així aptes tant per a un ús industrial com medicinal. / Galán Ávila, A. (2021). Development of biotechnological tools for the genetic improvement of Cannabis sativa L [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/176013 / Compendio

[ES] Los dobles haploides son una gran herramienta para la mejora genética de híbridos debido a que se puede alcanzar la homocigosis completa en una sola generación. Entre las técnicas usadas para obtener estas plantas, la inducción de la embriogénesis de microsporas, mediante el cultivo de anteras o de microsporas, es la más eficiente y la más usada. La embriogénesis de microsporas es también un ejemplo de totipotencia de las células vegetales gracias a su habilidad de reprogramar su desarrollo gametofítico hacia una ruta esporofítica, donde las células proliferan de forma organizada para crear un nuevo organismo. Como en muchos otros procesos in vitro, las condiciones de cultivo deben ser optimizadas para incrementar la eficiencia. En la presente Tesis Doctoral, hemos usado dos especies como sistemas experimentales para estudiar y optimizar el cultivo de microsporas. Por un lado, usamos berenjena (Solanum melongena) como un ejemplo de cultivo de importancia económica en el que los protocolos todavía tienen mucho margen de mejora. La optimización de la densidad celular y los reguladores de crecimiento han demostrado ser útiles para modificar la eficiencia del cultivo de microsporas de berenjena. Por otra parte, hemos utilizado el cultivo de microsporas de Brassica napus para estudios básicos puesto que ha sido ampliamente usado como modelo para entender procesos celulares que ocurren durante este cambio en el desarrollo. Se detalla un protocolo estandarizado para el cultivo de microsporas de B. napus, el cual ha sido utilizado en todos los cultivos en esta Tesis para explorar una serie de procesos y estructuras celulares potencialmente implicados en el cambio de desarrollo hacia embriogénesis. Estos procesos incluyen estrés del retículo endoplásmico, muerte celular programada, autofagia y estructura y composición de la pared celular. Estudiamos en paralelo el cultivo de microsporas de dos genotipos de B. napus con diferente respuesta androgénica en condiciones estándar y añadiendo Tricostatina A, un modulador epigenético que ha mostrado ser beneficioso para la respuesta androgénica en algunos casos. En conjunto, esta Tesis representa un avance en la optimización del cultivo de microsporas en estas especies y arroja luz sobre el papel de algunos procesos en el contexto de embriogénesis de microsporas. / [CA] Els dobles haploides són una gran eina en millora vegetal per a la producció d'híbrids, a causa de la seua total homozigosi, que es pot aconseguir en només una generació in vitro. Entre les diverses tècniques que s'utilitzen per tal d'obtenir aquestes plantes, la inducció de l'embriogènesi de microspores, mitjançant cultiu d'anteres o microspores, és la més comuna i eficient. L'embriogènesi de microspores també és un exemple de la totipotència de les cèl·lules vegetals, capaços de reprogramar-se d'una via gametofítica a una via esporofítica, on proliferen de manera organitzada per crear un nou organisme. Com en moltes altres tecniques in vitro, s'han d'optimitzar les condicions del cultiu per tal d'augmentar l'eficiència. En la present Tesi Doctoral, hem utilitzat dues espècies de plantes com a sistemes experimentals per estudiar i optimitzar el cultiu de microspores. Per una banda, hem utilitzat l'albergínia (Solanum melongena) com a exemple de cultiu d'importància econòmica on els protocols encara tenen marge per a l'optimització. La optimització de la densitat de cèl·lules en cultiu i la concentració de reguladors de creixement van demostrar ser útils per modificar l'eficiència de la resposta dels cultius de microspores d'albergínia. D'altra banda, hem utilitzat cultius de microspores de Brassica napus principalment per a estudis bàsics, ja que s'utilitza àmpliament com a model per entendre els processos cel·lulars que es produeixen durant aquest canvi de desenvolupament. Es detalla un protocol estandarditzat per al cultiu de microspores de B. napus, que s'ha utilitzat en tots els cultius inclosos en aquesta Tesi per explorar una sèrie de processos i estructures cel·lulars potencialment implicades en el canvi de desenvolupament cap a l'embriogènesi. Aquests inclouen l'estrès del reticle endoplasmàtic, la mort cel·lular programada, l'autofàgia i l'estructura i composició de la paret cel·lular. Vam estudiar en paral·lel cultius de microspores de dos genotips de B. napus amb diferent resposta androgènica, cultivats en condicions estàndard i afegint-hi Tricostatina A, un modulador epigenètic que s¿ha demostrat beneficiós per a la resposta androgènica en alguns casos. En conjunt, aquesta Tesi representa un avanç en l'optimització dels cultius de microsporas en aquestes espècies i aporta llum sobre el paper d'alguns processos en el context de l'embriogènesi de microspores. / [EN] Doubled haploids are a great tool for hybrid breeding due to their complete homozygosity achievable in only one in vitro generation. Among the several techniques used to obtain these plants, induction of microspore embryogenesis, via anther or microspore culture, is the most common and efficient approach. Microspore embryogenesis is also an example of totipotency of plant cells due to their ability to reprogram themselves from a gametophytic to a sporophytic pathway, where cells proliferate in an organized way to create a new organism. As in many other in vitro procedures, culture conditions must be optimized in order to increase efficiency. In the present Doctoral Thesis, we used two plant species as experimental systems to study and optimize microspore culture. On one hand, we used eggplant (Solanum melongena) as an example of economically important crop where protocols have still room for optimization. Optimization of cell density and growth regulators demonstrated to be useful to modify the efficiency of eggplant microspore cultures. On the other hand, we used B. napus microspore cultures principally for basic studies since it is widely used as a model to understand cellular processes occurring during this developmental switch. A standardized protocol for Brassica napus microspore culture is detailed, which was used in all the cultures included in this Thesis to explore a series of processes and cellular structures potentially involved in the developmental switch towards embryogenesis. These included endoplasmic reticulum stress, programmed cell death, autophagy, and cell wall structure and composition. We studied in parallel microspore cultures from two B. napus genotypes with different androgenic response cultured in standard conditions and adding Trichostatin A, a epigenetic modulator shown to be beneficial for the androgenic response in some cases. Together, this Thesis represents an advance in the optimization of microspore cultures in these species, and sheds light on the role of some processes within the context of microspore embryogenesis. / Thanks are due to the Electron Microscopy Service of Universitat Politècnica de València, Marisol Gascón (IBMCP Microscopy Service). This work was supported by grant AGL2017-88135-R to JMSS from MICINN jointly funded by FEDER and by a Marie Skłodowska-Curie Individual Fellowship (656579) to PC-M This work was supported by grant AGL2017-88135-R to JMSS from MINECO jointly funded by FEDER. / Camacho Fernández, C. (2021). Microspore embryogenesis: cell wall dynamics and reprogramming of cell fate [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/163698

[ES] El calcio (Ca2+) es un catión esencial que juega un papel fundamental en todos los organismos vivos. Desde el punto de vista funcional, el Ca2+ actúa como un segundo mensajero que regula distintos procesos celulares. Trabajos anteriores indican que la señalización mediante Ca2+ podría estar implicada en las primeras etapas de la inducción de la embriogénesis in vitro de las plantas, pero el verdadero papel del Ca2+ en este proceso es aún desconocido. Por eso, el principal objetivo de la presente Tesis es el estudio del papel del Ca2+ en la embriogénesis in vitro mediante dos sistemas in vitro: la embriogénesis somática y la embriogénesis de microsporas. Para determinar la importancia de la homeostasis del Ca2+ en la inducción de la embriogénesis y las dinámicas de los niveles de Ca2+ durante la inducción y el establecimiento de embriones somáticos y derivados de microsporas, se utilizaron tratamientos químicos y se detectaron los niveles de Ca2+ mediante sondas fluorescentes y sensores cameleon codificados genéticamente, visualizados con microscopía fluorescente y confocal. Observamos que el aumento de Ca2+ es un marcador temprano en la inducción de la embriogénesis in vitro y que los niveles de Ca2+ durante la embriogénesis in vitro son dinámicos en todos los sistemas estudiados. Además, las oscilaciones en los niveles de Ca2+ podrían estar relacionadas con los procesos de diferenciación que ocurren en las células inducidas una vez une el Ca2+ a la calmodulina. Mostramos que un aumento de Ca2+ dentro de un rango definido de concentración tiene un efecto positivo, dependiendo del sistema, en la producción de embriones, siendo más sensibles aquellos sistemas basados en suspensiones de células aisladas que aquellos que usan tejidos como explantes. Finalmente, estudiamos el papel de la calosa durante la embriogénesis somática, observando que la inhibición de la deposición de calosa impide el desarrollo embrionario, lo que sugiere una relación entre la formación de una barrera de calosa y el establecimiento de la identidad embrionaria en las células somáticas. / [CAT] El calci (Ca2+) és un catió essencial que juga un paper fonamental en tots els organismes vius. Des del punt de vista funcional, el Ca2+ actua com a un segon missatger que regula diferents processos cel·lulars. Treballs anteriors indiquen que la senyalització mitjançant el Ca2+ podria estar implicada en les primeres etapes de la inducció de l'embriogènesi in vitro de les plantes, però el paper real del Ca2+ en aquest procés encara és desconegut. Per això, el principal objectiu de la present Tesi és l'estudi del paper del Ca2+ en l'embriogènesi in vitro mitjançant dos sistemes in vitro: l'embriogènesi somàtica i l'embriogènesi de micròspores. Per tal de determinar la importància de l'homeòstasi del Ca2+ en la inducció de l'embriogènesi i les dinàmiques dels nivells de Ca2+ durant la inducció i l'establiment d'embrions somàtics i derivats de micròspores, es van utilitzar tractaments químics i es van detectar els nivells de Ca2+ mitjançant sondes fluorescents i sensors de cameleon codificats genèticament, visualitzats amb microscòpia fluorescent i confocal. Vam observar que l'augment de Ca2+ és un marcador primerenc en la inducció de l'embriogènesi in vitro i que els nivells de Ca2+ durant l'embriogènesi in vitro són dinàmics en tots els sistemes estudiats. A més, les oscil·lacions en els nivells de Ca2+ podrien estar relacionades amb els processos de diferenciació que tenen lloc en les cèl·lules induïdes una vegada uneix el Ca2+ a la calmodulina. Vam mostrar que un augment de Ca2+ dins d'un rang definit de concentració té un efecte positiu, depenent del sistema, en la producció d'embrions, essent més sensibles aquells sistemes basats en suspensions de cèl·lules aïllades que aquells que usen teixits com a explants. Finalment, vam estudiar el paper de la cal·losa durant l'embriogènesi somàtica, i vam observar que la inhibició de la deposició de cal·losa impedeix el desenvolupament embrionari, la qual cosa suggereix una relació entre la formació d'una barrera de cal·losa i l'establiment de la identitat embrionària en les cèl·lules somàtiques. / [EN] Calcium (Ca2+) is an essential cation that plays fundamental roles in all living organisms. From a functional point of view, Ca2+ acts as a second messenger that regulates different cellular processes. Previous works point to the fact that Ca2+ signaling may be involved in the early stages of induction of in vitro plant embryogenesis, but the actual role of Ca2+ in this process remained unveiled. Thus, the main goal of the present Thesis is to study the role of Ca2+ in in vitro embryogenesis using two in vitro systems: somatic embryogenesis and microspore embryogenesis. Chemical treatments and detection of Ca2+ with fluorescent probes and genetically-encoded cameleon sensors imaged by fluorescence and confocal microscopy were performed to determine the importance of Ca2+ homeostasis for induction of embryogenesis and the dynamics of Ca2+ levels during the induction and establishment of somatic and microspore-derived embryos. We observed that Ca2+ increase is an early marker of induction of in vitro embryogenesis and Ca2+ levels during in vitro embryogenesis are dynamic in all the systems we studied. Moreover, Ca2+ oscillations might be related to the differentiation processes that take place in the induced cells upon binding to calmodulin. We showed that Ca2+ increase within a defined range has system-specific positive effects in embryo yield, being more sensitive those systems using isolated cell suspensions rather than those using tissues as explants. Finally, we studied the role of callose during somatic embryogenesis, and we observed that inhibiting callose deposition prevents embryo development, which suggests a relationship between the formation of a callose barrier and the establishment of embryo identity in somatic cells. / Calabuig Serna, A. (2023). Multidisciplinary study of the role of calcium in plant in vitro embryogenesis [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/196022