Cytokinins: general information and application in in vitro culture
Abstract
This article is dedicated to plant hormones – cytokinins (both natural and synthetic). It presents a classification of cytokinins based on their chemical structure, including phenylurea-type and adenine-type cytokinins, as well as isoprenoid and aromatic cytokinins. The role of this class of phytohormones in plant physiology is described. It is noted that among growth regulators, cytokinins play a leading role in micropropagation during the initiation and proliferation stages of in vitro culture. The two key properties of cytokinins valuable in tissue culture are stimulation of cell division (often in conjunction with auxins) and release of lateral buds from dormancy. The article provides a detailed review of specific cytokinins such as 6-benzyladenine, kinetin, zeatin, iP, and thidiazuron. Several aspects of cytokinin application in micropropagation are discussed, including: the influence of concentration on microshoot morphology; the potential use of cytokinin mixtures; and species-specific responses to cytokinins in micropropagation.
References
1. Kinetin, a cell division factor from deoxyribonucleic acid / C. O. Miller, F. Skoog, M. H. Von Saltza, F. M. Strong // Journal of the American Chemical Society. – 1955. – Vol. 77, № 5. – P. 1392.
2. Романов, Г. А. Как цитокинины действуют на клетку / Г. А. Романов // Физиология растений. – 2009. – Т. 56, № 2. – С. 295–319.
3. Захарычев, В. В. Фитогормоны, их аналоги и антагонисты в качестве гербицидов и регуляторов роста растений : учеб. пособие / В. В. Захарычев ; М-во образования Рос. Федерации, Рос. хим.-технол. ун-т им. Д. И. Менделеева. – М. : Изд-во РХТУ им. Д. И. Менделеева, 1999. – 55 с.
4. Letham, D. S. Zeatin, a factor inducing cell division isolated from Zea mays / D. S. Letham // Lite Sciences. – 1963. – Vol. 2, № 8. – P. 569–573.
5. Letham, D. S. The structure of zeatin, a factor inducing cell division / D. S. Letham, J. S. Shannon, I. R. McDonald // Proceedings of the Chemical Society. – 1964. – Iss. July. – P. 230–231.
6. Kakimoto, T. Identification of plant cytokinin biosynthetic enzymes as dimethylallyl diphosphate: ATP/ADP isopentenyltransferases / T. Kakimoto // Plant and Cell Physiology. – 2001. – Vol. 42, № 7. – P. 667–685.
7. Takei, K. Identification of genes encoding adenylate isopentenyltransferases, a cytokinin biosynthesis enzyme, in Arabidopsis thaliana / K. Takei, H. Sakakibara, T. Sugiyama // Journal of Biological Chemistry. – 2001. – Vol. 276, № 28. – P. 26405–26410.
8. Plant hormones and plant growth regulators in plant tissue culture / T. Gaspar, C. Kevers, C. Penel [et al.] // In Vitro Cellular & Developmental Biology – Plant. – 1996. – Vol. 32, № 4. – P. 272–289.
9. Regulation of plant growth by cytokinin / T. Werner, V. Motyka, M. Strnad, T. Schmülling // Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). – 2001. – Vol. 98, № 18. – P. 10487–10492.
10. Plant hormones. Biosynthesis, signal transduction, action! / ed. P. J. Davies. – Dordrecht : Kluwer Academic Publishers, 2004. – 750 p.
11. Kakimoto, T. Perception and signal transduction of cytokinins / T. Kakimoto // Annual Review of Plant Biology. – 2003. – Vol. 54, № 1. – P. 605–627.
12. Кулаева, О. Н. Новейшие достижения и перспективы изучения механизма действия фитогормонов и их участия в сигнальных системах целого растения / О. Н. Кулаева, В. В. Кузнецов // Вестник Российского фонда фундаментальных исследований. – 2004. – № 2 (36). – С. 12–36.
13. Матушкина, О. В. Особенности воздействия экзогенных цитокининов и их производных на регенерацию яблони и груши in vitro / О. В. Матушкина, И. Н. Пронина // Достижения науки и техники АПК. – 2010. – № 8. – С. 34–35.
14. Plant propagation by tissue culture / ed.: E. F. George, M. A. Hall, G.-J. De Klerk. – 3rd ed. – Dordrecht : Springer, 2008. – Vol. 1: The background. – 501 р.
15. Kende, H. The five ‘classical’ plant hormones / H. Kende, J. A. D. Zeevaart // The Plant Cell. – 1997. – Vol. 9, № 7. – P. 1197–1210.
16. Mok, D. V. S. Cytokinin metabolism and action / D. W. S. Mok, M. C. Mok // Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology. – 2001. – Vol. 52. – P. 89–118.
17. Cis-isomers of cytokinins predominate Cicer arietinum throughout their development / R. J. N. Emery, L. Leport, J. E. Barton [et al.] // Plant Physiology. – 1998. – Vol. 117, № 4. – P. 1515–1523.
18. Cytokinins in macroalgae / W. A. Stirk, M. Strnad, O. Novak, J. van Staden // Plant Growth Regulation. – 2003. – Vol. 41, № 1. – P. 13–24.
19. Staden, J. The biological activity of cytokinin derivatives in the soybean callus bioassay / J. van Staden, F. E. Drewes // Plant Growth Regulation. – 1991. – Vol. 10, № 2. – P. 109–115.
20. Goussard, P. G. Morphological responses of shoot apices of grapevine cultured in vitro. Effects of cytokinins in routine subculturing / P. G. Goussard // Vitis. – 1982. – Vol. 21, № 4. – P. 293–298.
21. Debnath, S. C. In vitro culture of lingonberry (Vaccinium vitis-idaea L.): the influence of cytokinins and media types on propagation / S. C. Debnath, K. B. McRae // Small Fruits Review. – 2001. – Vol. 1, iss. 3. – P. 3–19.
22. Debnath, S. C. A one-step in vitro cloning procedure for cranberry (Vaccinium macrocarpon Ait.): the influence of cytokinins on shoot proliferation and rooting / S. C. Debnath, K. B. McRae // Small Fruits Review. – 2005. – Vol. 4, iss. 3. – P. 57–75.
23. Tao, R. Micropropagation of Japanese persimmon (Diospyros kaki L.) / R. Tao, A. Sugiura // Biotechnology in Agriculture and Forestry / ed.: J. M. Widholm, J. Kumlehn, T. Nagata. – Berlin ; Heidelberg, 1992. – Vol. 18: High-Tech and Micropropagation II / ed. Y. P. S. Bajaj. – P. 424–440.
24. Debnath, C. S. Zeatin overcomes thidiazuron-induced inhibition of shoot elongation and promotes rooting in strawberry culture in vitro / C. S. Debnath // The Journal of Horticultural Science and Biotechnology. – 2006. – Vol. 81, № 3. – P. 349–354.
25. Micropropagation of camphor tree (Cinnamomum camphora) / K. Nirmal Babu, A. Sajina, D. Minoo [et al.] // Plant Cell, Tissue and Organ Culture. – 2003. – Vol. 74, № 2. – P. 179–183.
26. Крицкая, Т. А. Клональное микроразмножение лапчатки волжской (Potentilla volgarica) / Т. А. Крицкая, А. С. Кашин // Вавиловские чтения – 2014 : сб. ст. междунар. науч.-практ. конф., Саратов, 25–27 нояб. 2014 г. / М-во сел. хоз-ва Рос. Федерации, Сарат. гос. аграр. ун-т ; редкол.: Н. И. Кузнецов [и др.]. – Саратов, 2014. – C. 114–116.
27. Eccher, T. Comparison between 2iP and zeatin in the micropropagation of highbush blueberry (Vaccinium corymbosum) / T. Eccher, N. Noè // Acta Horticulturae. – 1989. – Vol. 241. – P. 185–190.
28. Micropropagation of several lingonberry cultivars / R. A. Serres, S. Pan, B. M. McCown, E. J. Stang // Fruit Varieties Journal. – 1994. – Vol. 48, № 1. – P. 7–14.
29. Marcotrigiano, M. A two-stage micropropagation system for cranberries / M. Marcotrigiano, S. P. McGlew // Journal of the American Society for Horticultural Science. – 1991. – Vol. 116, № 5. – P. 911–916.
30. Smagula, J. M. Cranberry micropropagation using a lowbush blueberry medium / J. M. Smagula, J. Harker // Acta Horticulturae. – 1997. – Vol. 446. – P. 343–347.
31. Micropropagation of a West African wild grape (Lannea microcarpa) / A. Sereme, J. Millogo, S. Guinko, M. Nacro // International Journal of Biological and Chemical Sciences. – 2014. – Vol. 8, № 3. – P. 862–870.
32. Высоцкий, В. А. Клональное микроразмножение растений / В. А. Высоцкий // Культура клеток растений и биотехнология / АН СССР, Ин-т физиологии растений ; отв. ред. Р. Г. Бутенко. – М., 1986. – С. 91–102.
33. Регенерация растений Brachanthemum baranovii (Krasch. et Poljak) Krasch. в культуре in vitro / В. В. Соловьева, Н. А. Вечернина, О. К. Таварткиладзе, А. И. Шмаков // Известия Алтайского государственного университета. – 2003. – № 3 (29). – С. 108–111.
34. Высоцкий, В. А. Опыт клонального микроразмножения ирги / В. А. Высоцкий // Плодоводство и ягодоводство России : сб. науч. работ / Всерос. селекц.-технол. ин-т садоводства и питомниководства. – М., 1995. – Т. 2. – С. 123–127.
35. Strnad, M. The aromatic cytokinins / M. Strnad // Physiologia Plantarum. – 1997. – Vol. 101, № 4. – P. 674–688.
36. Плаксина, Т. В. Влияние регуляторов роста на клональное микроразмножение представителей рода актинидия / Т. В. Плаксина, И. Д. Бородулина // Acta Biologica Sibirica. – 2016. – Т. 2, № 3. – С. 54–60.
37. Кастрицкая, М. С. Микроразмножение сортов хмеля in vitro / М. С. Кастрицкая, Н. В. Кухарчик, О. А. Гашенко / Весцi Нацыянальнай акадэмii навук Беларусi. Серыя аграрных навук. – 2014. – № 2. – С. 75–80.
38. Кульханова, Д. С. Размножение in vitro ремонтантных сортов малины / Д. С. Кульханова, Т. В. Плаксина, И. Д. Бородулина // Известия Алтайского государственного университета. – 2012. – № 3-2 (75). – С. 42–45.
39. Кастрицкая, М. С. Микроразмножение растений рода Prunus L.: инициация и размножение / М. С. Кастрицкая, А. А. Змушко, Т. А. Красинская // Плодоводство : сб. науч. тр. / НАН Беларуси, Ин-т плодоводства ; редкол.: В. А. Самусь (гл. ред.) [и др.]. – Минск, 2018. – Т. 30. – С. 258–264.
40. Турдиев, Т. Т. Оптимизация минерального и гормонального состава питательных сред для культивирования винограда in vitro / Т. Т. Турдиев, И. Ю. Ковальчук, С. Н. Фролов // Сохранение биоразнообразия тропических и субтропических растений : материалы 2-й Междунар. науч. конф., Харьков, 7–10 окт. 2013 г. / М-во образования и науки Украины [и др.] ; редкол.: Т. Г. Орлова [и др.], отв. ред. А. А. Алехин. – Харьков, 2013. – С. 173–178.
41. Красинская, Т. А. Морфогенез растений-регенерантов сортов винограда в культуре in vitro при использовании 6-бензиладенина, кинетина и тидиазурона / Т. А. Красинская, М. И. Шокель, А. А. Змушко // Клеточная биология и биотехнология растений : тез. докл. II Междунар. науч.-практ. конф., Минск, 28–31 мая 2018 г. / Белорус. гос. ун-т, Ин-т леса НАН Беларуси ; редкол.: И. И. Смолич (отв. ред.), В. В. Демидчик, В. Е. Падутов. – Минск, 2018. – С. 122–123.
42. Размножение плодовых, ягодных растений, винограда и хмеля в культуре in vitro / Н. В. Кухарчик, М. С. Кастрицкая, Е. В. Колбанова [и др.] ; под общ. ред. Н. В. Кухарчик. – Минск : Колорград, 2021. – 400 с.
43. Красинская, Т. А. Морфогенез растений-регенерантов сортов винограда в культуре in vitro при использовании биологически активных веществ синтетического происхождения / Т. А. Красинская, А. А. Змушко // Журнал Белорусского государственного университета. Биология. – 2018. – № 2. – С. 95–104.
44. Skoog, F. Cytokinins / F. Skoog, F. M. Strong, C. O. Miller // Science. – 1965. – Vol. 148, № 3669. – P. 532–533.
45. Карпушина, М. В. Технологический процесс микроклонального размножения посадочного материала земляники садовой сорта Мальвина / М. В. Карпушина, М. А. Амосова // Плодоводство и виноградарство Юга России. – 2022. – № 78 (6). – С. 263–274.
46. Особенности клонального микроразмножения лаванды узколистной / В. С. Власова, Н. А. Егорова, Л. А. Хасанова, З. М. Хасанова // Актуальная биотехнология. – 2021. – № 1 (35). – С. 71.
47. Абделазиз, В. М. А. Влияние кинетина на микроразмножение белены египетской / В. М. А. Абделазиз // Биосистемы: организация, поведение, управление : 70-я Всероссийская школа-конференция молодых ученых. – Нижний Новгород, 26–28 апреля 2017 г. – С. 4.
48. Райков, И. А. Особенности клонального микроразмножения растений смородины черной в зависимости от генотипа и применяемого цитокинина / И. А. Райков // Плодоводство и ягодоводство России. – 2011. – Т. 26. – С. 368–374.
49. Панькова, О. А. Совершенствование технологических приемов клонального микроразмножения ягодных кустарников / О. А. Панькова, Н. П. Несмелова // Аграрная наука Евро-северо-востока. – 2008. – № 11. – С. 72–76.
50. Murthy, B. N. S. Thidiazuron: a potent regulator of in vitro plant morphogenesis / B. N. S. Murthy, S. J. Murch, P. K. Saxena // In Vitro Cellular & Developmental Biology – Plant. – 1998. – Vol. 34, № 4. – P. 267–275.
51. Arndt, F. SN 49537, a new cotton defoliant / F. Arndt, R. Rusch, H. V. Stillfried // Plant Physiology. – 1976. – Vol. 57, Suppl. – P. S99.
52. Изучение морфогенетического потенциала озимого рапса отечественной селекции в культуре in vitro / М. А. Чернобровкина, П. А. Хватков, А. В. Леонтьева, С. В. Долгов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2017. – № 11, ч. 2. – С. 260–264.
53. Cytokinin activity of N-phenyl-N′-1,2,3-thiadiazol-5-ylurea (thiadiazuron) / M. C. Mok, D. W. S. Mok, D. J. Armstrong [et al.] // Phytochemistry. – 1982. – Vol. 21, № 7. – P. 1509–1511.
54. Gilby, A. C. Use of tissue culture in improvement of watercress (Rorippa nasturtium aquaticum L. Hayek) / A. C. Gilby, H. Wainwright // Acta Horticulturae. – 1989. – Vol. 244. – P. 105–113.
55. Fellman, C. D. Effects of thidiazuron and CPPU on meristem formation and shoot proliferation / C. D. Fellman, P. E. Read, M. A. Hosier // HortScience. – 1987. – Vol. 22, № 6. – P. 1197–1200.
56. Adventitious shoot formation on excised leaves of in vitro cultured apples: effects of cytokinin, auxin, and leaf age / F. Fasolo, R. H. Zimmerman, I. Fordham, L. Falbo // HortScience. – 1988. – Vol. 23, № 3S. – P. 676.
57. Briggs, B. A. Micropropagation of azaleas using thiadiazuron / B. A. Briggs, S. M. McCulloch, L. A. Edick // Acta Horticulturae. – 1988. – Vol. 226. – P. 205–208.
58. Vieitez, A. M. Culture of chestnut shoots from buds in vitro / A. M. Vieitez, M. L. Vieitez // Journal of Horticultural Science. – 1980. – Vol. 55, № 1. – P. 83–84.
59. Elliott, R. F. Axenic culture of meristem tips of Rosa multiflora / R. F. Elliott // Planta. – 1970. – Vol. 95, № 2. – P. 183–186.
60. Батукаев, А. А. Использование регуляторов роста в системе производства оздоровленного посадочного материала винограда / А. А. Батукаев, А. А. Зармаев, М. С. Батукаев // Труды БГУ. – 2013. – Т. 8, ч. 2. – С. 43–47.
61. Кобринец, Т. П. Микроклональное размножение районированных сортов сливы в РУП «Брестская ОСХОС НАН Беларуси» / Т. П. Кобринец, О. С. Иванова, Е. В. Поух // Селекция и сорторазведение садовых культур. – 2017. – Т. 4, № 1/2. – C. 53–56.
Review
For citations:
Zmushko A.A. Cytokinins: general information and application in in vitro culture. Fruit Growing. 2025;37:327-337. (In Russ.)
Views:
27
Email this article 