UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONÓMA DE MÉXICO DOCTORADO EN CIENCIAS BIOMÉDICAS INSTITUTO DE ECOLOGÍA MODELO DINÁMICO DE LA RED GENÉTICA DEL NICHO DE CÉLULAS MADRE DE LA RAÍZ DE Arabidopsis thaliana TESIS QUE PARA OPTAR POR EL GRADO DE: DOCTOR EN CIENCIAS PRESENTA: EUGENIO MARTÍN AZPEITIA ESPINOSA DIRECTOR DE TESIS DRA. MARÍA ELENA ALVAREZ-BUYLLA ROCES INSTITUTO DE ECOLOGÍA COMITÉ TUTOR DRA. ADRIANA GARAY ARROYO INSTITUTO DE ECOLOGÍA DR. LUIS ANTONIO MENDOZA SIERRE INSTITUTO DE INVESTIGACIONES BIOMÉDICAS MÉXICO, D.F. NOVIEMBRE DE 2013 ! UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). 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A mi familia (Jimena, Joni y mi Amá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esumen………………………………………………………...…………………….1 2. Introducción…………………………………………………………………………...4 2.1. El desarrollo y el desarrollo raíz…………………………………………….4 2.2. Artículo de revisión: “A complex systems approach to Arabidopsis root stem-cell niche developmental mechanisms: from molecules, to networks, to morphogenesis”..……………………………………………………………………...…7 2.3. Modelos matemático computacionales y redes de regulación genética…...20 3. Hipótesis y objetivo………………………………………………………………….22 4. Métodos……………………………………………………………………………...24 4.1. Introducción al modelado de las redes dinámicas de regulación genética...24 4.2. Capítulo del libro de Springer: “Flower Development – Methods and Protocols”: “Gene Regulatory Network Models for Floral Organ Determination”……27 5. Resultados……………………………………………………………………………56 5.1. Parte I………………………………………………………………………56 “Single-cell and coupled GRN models of cell patterning in the Arabidopsis thaliana root stem cell niche” 5.2. Parte II……………………………………………………………………..77 “Dynamic network-based epistasis analysis: boolean examples” 5.3. Parte III…………………………………………………………………...90 “Finding Missing Interactions of the Arabidopsis thaliana Root Stem Cell Niche Gene Regulatory Network” y “Finding Missing Interactions in Gene Regulatory Networks Using Boolean Models” 5.4. Parte IV…………………………………………………………………..121 Modelo bidimensional del acoplamiento entre el transporte de auxinas y el mantenimiento del nicho de células troncales de la raíz de Arabidopsis thaliana 6. Discusión y conclusiones…………………………………………………………..136 7. Referencias…………………………………………………………………………140 8. Apéndice…………………………………………………………………………....145 8.1. Parte I……………………………………………………………………..146 “From ABC genes to regulatory networks, epigenetic landscapes and flower morphogenesis: making biological sense of theoretical approaches” 8.2. Parte II……………………………………………………………………157 “"Antelope": a hybrid-logic model checker for branching-time Boolean GRN analysis” 8.3. Parte III…………………………………………………………………...173 “Hormone symphony during root growth and development” 8.4. Parte IV…………………………………………………………………..193 “Dynamic models of epidermal patterning as an approach to plant eco-evo-devo” 8.5. Parte V…………………………………………………………...………202 “Cell patterns emerge from coupled chemical and physical fields with cell proliferation dynamics: the Arabidopsis thaliana root as a study system”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