Biomics

The universality of the pathways of morphogenesis in vivo, in situ and in vitro allows to choose a model for the study of regularities and peculiarities of morphogenetic processes in plants including embryonic and early post-embryonic development. A perspective model systems in this field of study are the callus cultures in vitro. This article presents the brief review of the literature and own data obtained during the investigation of phytohormonal characteristics of the induction of callusogenesis and morphogenesis in vitro in cereal calli. The dependence between phytohormonal status of explants and their ability to the formation of calli as well as morphogenesis of calli in vitro was demonstrated.  The methodological technique, consisting in identifying and using the optimal balance of endogenous (in explant) and exogenous (in nutrient medium) auxines, allows to approach the ways of morphogenesis in vitro manageable in the callus model systems.

plant morphogenesis, culture in vitro; callus; phytohormone; auxin; cereals

1. Батыгина Т.Б. Хлебное зерно. Л.: Наука, 1987. 103 с. [Batyigina T.B. Hlebnoe zerno. L.: Nauka, 1987. 103 s.]
2. Батыгина Т.Б. Воспроизведение, размножение и возобновление растений // Эмбриология цветковых растений. Терминология и концепции. Т. 3: Системы репродукции / Ред. Т.Б. Батыгина. СПб.: Мир и семья, 2000. С. 35–39. [Batyigina T.B. Vosproizvedenie, razmnozhenie i vozobnovlenie rasteniy // Embriologiya cvetkovuh rasteniy. Terminologia i koncepcii. T. 3: Sistemy reprodukcii / Red. T.B. Batygina. SPb.: Mir i Semjya, 2000. S. 35–39]
3. Батыгина Т.Б. Биология развития растений. Симфония жизни. СПб.: ДЕАН, 2014. 764 с. [Batygina T.B. Biologiya razvitiya rasteniy. Simfoniya zhizni. SPb.: DEAN, 2014. 764 s.]
4. Батыгина Т.Б., Васильева В.Е., Маметьева Т.Б. Проблемы морфогенеза in vivo и in vitro (эмбриоидогенез у покрытосеменных) // Ботан. журн. 1978. Т. 63. C. 87–111. [Batygina T.B., Vasiljeva V.E., Mametjeva T.B. Problemy morfogenesa in vivo i in vitro (embrioidogenes u pokrytosemennyh) // Botan. zhurn. T. 63. S. 87–111]
5. Батыгина Т.Б., Круглова Н.Н., Горбунова В.Ю., Титова Г.Е., Сельдимирова О.А. От микроспоры – к сорту. М.: Наука, 2010. 174 с. [Batygina T.B., Kruglova N.N., Gorbunova V.Yu., Titova G.E., Seldimirova O.A. Ot mikrospory – k sorty. M.: Nauka, 2010. 174 s.]
6. Батыгина Т.Б., Осадчий Я.В. Выявление гомологии клеточных элементов репродуктивных и формообразовательных структур // Успехи совр. биол. 2015. Т. 135. С. 337–345. [Batygina T.B., Osadchiy Ya.V. Vyyavlenie gomologii kletochnyh elementov reproduktivnyh i formoobrazovatelnyh struktur // Uspehi sovr. biol. 2015. T. 135. S. 337-345.]
7. Берталанфи Л. Общая теория систем – критический обзор // Исследования по общей теории систем. М.: Прогресс, 1969. С. 23–82. [Bertalanfi L. Obcshaya teoriya sistem – kriticheskiy obzor // Issledovaniya po obcshey teorii sistem. M.: Progress, 1969. 23–82]
8. Бутенко Р.Г. Культура изолированных тканей и физиология морфогенеза растений. М.: Наука, 1964. 272 с. [Butenko R.G. Kultura izolorovannyh tkaney i fiziologiya morfogeneza rasteniy. M.: Nauka, 1964. 272 s.]
9. Бутенко Р.Г. Клеточные и молекулярные аспекты морфогенеза растений in vitro // I Чайлахяновские чтения. Пущино: Пущинский НЦ, 1994. С. 7–26. [Butenko R.G. Kletochnye i molekulyarnye aspekty morfogeneza rasteniy in vitro // I Chailahjanovskie chteniya. Pucshino: Pucshinskiy NC, 1994. S. 7–26.]
10. Гилберт С. Биология развития. Т. 3. М.: Мир, 1995. 352 с. [Gilbert S. Biologiya razvitiya. T. 3. M.: Mir, 1995. 352 s.]
11. Дубровная О.В., Бавол А.В. Изменчивость генома пшеницы в культуре in vitro // Цитология и генетика. 2011. Т. 45. C. 76–84. DOI:3103/S0095452711050033 [Dubrovnaya O.V., Bavol A.V. Izmenchivost genoma pshenicy v culture in vitro // Citologia i genetika. 2011. Т. 45. S. 76–84. DOI: 10.3103/S0095452711050033]
12. Иммуноанализ регуляторов роста в решении проблем физиологии растений, растениеводства и биотехнологии / Под ред. Г.Р. Кудояровой. Уфа: АН РБ, 2000. 223 с. [Immunoanalis regulyatorov rosta v reshenii problem fiziologii rasteniy, rastenievodstva i biotehnologii / pod red. G.R. Kudoyarovoy]
13. Иванов В.Б. Клеточные механизмы роста растений. М.: Наука, 2011. 104 с. [Ivanov V.B. Kletochnye mehanizmy rosta rasteniy. M.: Nauka, 2011. 104 s.]
14. Круглова Н.Н., Батыгина Т.Б., Горбунова В.Ю., Титова Г.Е., Сельдимирова О.А. Эмбриологические основы андроклинии у пшеницы. М.: Наука, 2005. 99 с. [Kruglova N.N., Batygina T.B., Gorbunova V.Yu., Titova G.E., Seldimirova O.A. Embriologicheskie osnovy androklinii u pshenicy. M.: Nauka, 2005. 99 s.]
15. Круглова Н.Н., Катасонова А.А. Незрелый зародыш пшеницы как морфогенетически компетентный эксплант // Физиол. биохим. культ. раст. Т. 41. С. 124–131. [Kruglova N.N., Katasonova A.A. Nezrelyi zarodysh pshenicy kak morfogeneticheski kompetentnyi eksplant // Fiziol. bohim. kult. rast. 2009. T. 41. S. 124–131]
16. Круглова Н.Н., Сельдимирова О.А. Морфогенез в андроклинных каллусах злаков: цито-гистологические особенности // Успехи соврем. биол. 2010. Т. 130. С. 247–257. [Kruglova N.N., Seldimirova O.A. Morfogenes v androklinnyh kallusah zlakov: cito-gistologicheskie osobennosti // Uspehi sovrem. biol. 2010. Т. 130. S. 247–257]
17. Круглова Н.Н., Сельдимирова О.А. Регенерация пшеницы in vitro и ex vitro: цито-гистологические аспекты. Уфа: Гилем, 2011. 124 с. [Kruglova N.N., Seldimirova O.A. Regeneraciya pshenicy in vitro i ex vitro: cito-gistologicheskie aspekty. Ufa: Gilem, 2011. 124 s.]
18. Круглова Н.Н., Сельдимирова О.А. Пути морфогенеза in vitro клеток андроклинного каллyса пшеницы // Физиол. раст. и генетика. 2013. Т. 45. С. 382–389. [Kruglova N.N., Seldimirova O.A. Puti morfogenesa in vitro kletok androklinnogo kallusa pshenicy // Fiziol. rast. i genetika. Т. 45. S. 382–389]
19. Медведев С.С., Шарова Е.И. Генетическая и эпигенетическая регуляция развития растительных организмов (обзор) // Журн. Сиб. федер. ун-та. Серия биол. 2010. № 3. С. 109–129. [Medvedev S.S., Sharova E.I. Geneticheskaya i epigeneticheskaya regulaciya razvitiya rastitelnyh organizmov (obzor) // Zhurnal Sib. feder. un-ta. Seriya biol. 2010. № 3. S. 109–129]
20. Медведев С.С., Шарова Е.И. Биология развития растений. В 2-х т. Т. 1. Начала биологии развития растений. Фитогормоны. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2011. 253 с. [Medvedev S.S., Sharova E.I. Biologiya razvitiya rasteniy. V 2-h t. T. 1. Nachala biologii razvitiya rasteniy. Fitogormony. SPb.: Izd-vo S.-Peterb. un-ta, 2011. 253 s.]
21. Мирошниченко Д.Н., Филиппов М.В., Долгов С.В. Оптимизация условий для эффективного соматического эмбриогенеза и регенерации растений in vitro яровых сортов мягкой пшеницы // Доклады РАСХН. 2012. № 6. С. 22-26. [Miroshnichenko D.N., Filippov M.V., Dolgov S.V. Optimizaciya usloviy dlya effektivnogo somaticheskogo embriogenesa i regeneracii rasteniy in vitro yarovyh sortov myagkoi pshenicy // Doklady RASHN. № 6. S. 22-26]
22. Основы биотехнологии растений / Б.Р. Кулуев, Н.Н. Круглова, А.А. Зарипова, Р.Г. Фархутдинов. Уфа: РИЦ БашГУ, 244 с. [Osnovy biotehnologii rasteniy / B.R. Kuluev, N.N. Kruglova, A.A. Zaripova, R.G. Farhutdinov. Ufa: RIC BashGU, 2017. 244 s.]
23. Розов С.М., Загорская А.А., Дейнеко Е.В., Шумный В.К. Ауксин: биосинтез, метаболизм, транспорт // Успехи соврем. биол. 2013. Т. 133. С. 50-62. [Rozov S.M., Zagorskaya A.A., Deineko E.V., Shumnyi V.K. Auksin: biosintez, metabolizm, transport // Uspehi sovrem. biol. Т. 133. S. 50-62]
24. Сайб Л.Р., Карабаев М.К. Фитогормональная регуляция регенерации растений: качественная модель // Изв. АН КазССР. Серия биол. 1991. № 3. С. 15–22. [Saib L.R., Karabaev M.K. Fitogormonalnaya regulaciya regeneracii rasteniy: kachestvennaya model // Izv. AN KazSSR. Seriya biol. 1991. № 3. S. 15–22]
25. Сельдимирова О.А., Галин И.Р., Круглова Н.Н., Веселов Д.С. Распределение ИУК и АБК в развивающихся зародышах пшеницы in vivo // Изв. Уфимского НЦ РАН. 2017. № 3(1). С. 114–118. [Seldimirova O.A., Galin I.R., Kruglova N.N., Veselov D.S. Raspredelenie IUK i ABK v razvivayucshihsya zarodushah pshenicy in vivo // Izv.Ufimskogo NC RAN. 2017. № 3(1). S. 114–118]
26. Сельдимирова О.А., Круглова Н.Н. Андроклинный эмбриоидогенез in vitro у злаков // Успехи совр. биол. 2014. Т. 134. С. 476– [Seldimirova O.A., Kruglova N.N. Androklinnyi embrioidogenes in vitro u zlakov // Uspehi sovrem. biol. 2014. Т. 134. S. 476–487]
27. Сельдимирова О.А., Круглова Н.Н. Баланс эндогенных и экзогенных гормонов и пути морфогенеза в андроклинных каллусах пшеницы in vitro // Изв. Уфимского НЦ РАН. 2015. № 1. С. 33–39. [Seldimirova O.A., Kruglova N.N. Balans endogennyh i ekzogennyh gormonov i puti morfogenesa v androklinnuh kallusah pshenicy in vitro // Izv.Ufimskogo NC RAN. 2015. № 1. S. 33–39]
28. Синнот Э. Морфогенез растений. М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1963. 603 с. [Sinnot E. Morfogenes rasteniy. M.: Izd-vo inostr. lit-ry, 1963. 603 s.]
29. Урманцев Ю.А. Системный подход к проблеме устойчивости растений // Физиол. раст. Т. 26. С. 762–777. [Urmancev Yu.A. Sistemnyi podhod k problem ustoichivosti rasteniy // Fiziol. rast. 1979. Т. 26. S. 762–777]
30. Ashapkin V.V., Кutueva L.I., Vanyushin B.F. Epigenetic variability in plants: heritability, adaptability, evolutionary significance // J. Plant Physiol. 2016. V. 63. P. 181–192. DOI: 10.1134/S1021443716020059
31. Batygina Т.Б. Embryogenesis and morphogenesis of zygotic and somatic embryos // J. Plant Physiol. 1999. V 46. P. 774–788.
32. Batygina T.B. Sexual and asexual processes in reproductive systems of flowering plants // Acta Biol. Cracov. Ser. Bot. 2005. V. 47. Р. 51–60. DOI: 1007/s00709-014-0704-2
33. Batygina T. Integrity and reliability system in ontogenesis and evolution // Intern. J. Plant Reprod. Biol. 2012. V. 4. P. 107–120.
34. Bevitori R., Popielarska-Konieczna M., dos Santos E.M. et al. Morpho-anatomical characterization of mature embryo-derived callus of rice (Oryza sativa) suitable for transformation // Protoplasma. 2014. V. 251. P. 545–554. DOI: 10.1007/s00709-013-0553-4
35. Bykova E.A., Chergintsev D.A., Vlasova T.A., Choob V.V. Effect of the auxin polar transport inhibitor on the morphogenesis of leaves and generative structures during fasciation in Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. // Russ. J. Develop. Biol. 2016. V. 47. P. 207–215. DOI:1134/S1062360416040032
36. Cha-um S., Srianan B., Pichakum A. et al. An efficient procedure for embryogenic callus induction and double haploid plant regeneration through anther culture of Thai aromatic rice (Oryza sativa subsp. indica) // In Vitro Cell Dev. Biol. Plant. 2009. V. 45. P. 171–179. DOI: 10.1007/sl1627-009-9203-0
37. Cheng Z.J., Wang L., Sun W. et al. Pattern of auxin and cytokinin responses for shoot meristem induction results from the regulation of cytokinin biosynthesis by AUXIN RESPONSE FACTOR3 // Plant Physiol. 2013. V. 161. P. 240–251. DOI: 1104/pp.112.203166
38. Colebrook E.H., Thomas S.G., Phillips A.L. The role of gibberellin signalling in plant responses to abiotic stress // J. Exp. Biol. 2014. V. 217. P. 67–75. DOI: 10.1242/jeb.089938
39. Delporte F., Pretova A., du Jardin P. et al. Morpho-histology and genotype dependence of in vitro morphogenesis in mature embryo cultures of wheat // Protoplasma. 2014. V. 251. P. 1455–1470. DOI 10.1007/s00709-014-0647-7
40. Doubled haploidy in model and recalcitrant species / ed. J.M. Segui-Simarro. Lausanne: Frontiers Media, 2016. 119 p. DOI:3389/978-2-88919-783-5
41. Elhiti, Stasolla C. The use of zygotic embryos as explants for in vitro propagation: an overview // Plant embryo culture: Methods and protocols / Eds Thorpe T.A., Yeung E.C. New York: Humana Press, 2011. P. 229–255. DOI: 10.1007/978-1-61737-988-8_17
42. Gorbatyuk I.R., Bavol A.V., Holubenko A.V., Morgun B.V. Effect of synthetic auxin like growth regulators on callus regenerative ability of common wheat vc. Zymoyarka // Biotechnologia Acta. 2015. V. 8. P. 56-62. DOI: 10.15407/biotech8.01.056
43. Gorbunova V.Yu., Kruglova N.N., Abramov S.N. The induction of androgenesis in vitro in spring soft wheat. Balance of exogenous and endogenous phytohormones // Biol. Bull. 2001. 28. Р. 25–30. DOI: 10.1023/A:1026602603527
44. Gutierrez R.A., Shasha D.E., Coruzzi G.M. Systems biology for the virtual plant // Plant Physiol. V. 138. P. 550–554. DOI: 10.1104/pp.104.900150
45. Hess J.R., Carman J.G., Banowetz G.M. Hormones in wheat kernels during embryony // J. Plant Physiol. 2002.V. 159. P. 379–86. DOI: 1078/0176-1617-00718
46. Hisano H., Matsuura T., Mori I.C. Endogenous hormone levels affect the regeneration ability of callus derived from different organs in barley // Plant Physiol. Biochem. 2016. V. 99. P. 66–72. DOI: 1038/s41598-017-03907-2
47. Huang W.-L., Lee Ch.-H., Chen Y.-R. Levels of endogenous abscisic acid and indole-3-acetic acid influence shoot organogenesis in callus cultures of rice subjected to osmotic stress // Plant Cell Tiss. Org. Cult. 2012. V. 108. P. 257–263. DOI: 1007/s11240-011-0038-0
48. Ikeuchi M., Iwase A., Sugimoto K. Control of plant cell differentiation by histone modification and DNA methylation // Curr. Opinion in Plant Biol. V. 28. P. 60–67. DOI: 10.1016/j.pbi.2015.09.004
49. Ikeuchi M., Sugimoto K., Iwase A. Plant callus: mechanisms of induction and repression // Plant Cell. 2013. V. 25. P. 3159–3173. DOI: 1105/tpc.113.116053
50. Jimenez V.M., Bangerth F. Endogenous hormone concentrations and embryogenic callus development in wheat // Plant Cell Tiss. Org. Cult. 2001. V. 67. P. 37-46. DOI: 1023/A:1011671310451
51. Kiviharju E., Moisander S., Laurila J. Improved green plant regeneration rates from oat anther culture and the agronomic performance of some DH lines // Plant Cell Tiss. Org. Cult. 2005. V. 81. P. 1–9. DOI: 1007/s11240-004-1560-0
52. Kudoyarova G.R., Korobova A.V., Akhiyarova G.R., Arkhipova T.N., Zaytsev D.Y., Prinsen E., Egutkin N.L., Medvedev S.S., Veselov S.Y. Accumulation of cytokinins in roots and their export to the shoots of durum wheat plants treated with the protonophore carbonyl cyanide m-chlorophenylhydrazone (CCCP) // J. Exp. Bot. 2014. V. 65. P. 2287–2294. DOI: 10.1093/jxb/eru113
53. Kumar V. Systems biology approaches towards the prediction of prospective novel plant system-derived products or services // Biol. Syst. Open Access. 2013. V. 2. P. 119. DOI:10.4172/2329-6577.1000119
54. Kunakh V.A. Plant genome variation in the course of in vitro dedifferentiation and callus formation // Russ. J. Plant Physiol. 1999. V. 46. 808–817.
55. Lee S.-T., Huang W.-L. Cytokinin, auxin, and abscisic acid affects sucrose metabolism conduce to de novo shoot organogenesis in rice (Oryza sativa) callus // Botan. Studies. 2013. V. 54. DOI: doi.org/10.1186/1999-3110-54-5
56. Mockaitis К., Estelle M. Auxin receptors and plant development: A new signaling paradigm // Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2008. V. 24. P. 55–80. DOI: 1146/annurev.cellbio.23.090506.123214
57. Mohd Din A.R.J., Ahmad F.I., Wagiran A. et al. Improvement of efficient in vitro regeneration potential of mature callus induced from Malaysian upland rice seed (Oryza sativa Panderas) // Saudi J. Biol. Sci. 2016. V. 23. Suppl. P. 69–77. DOI: 10.1016/j.sjbs.2015.10.022
58. Nosov A.V. Plant cell culture: unique system, model, and tool // Russ. J. Plant Physiol. 1999. V. 46. 731–738.
59. Phytohormones and abiotic stress tolerance in plants / Eds Khan N.A., Nazar R., Iqbal N., Anjum N.A. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 2012. 306 p. DOI: 10.1017/S0014479712000555
60. Segui-Simarro J.M. Androgenesis Revisited // Bot. Rev. 2010. V. 76. P. 377–404. DOI: 1098/rstb.2015.0534
61. Seldimirova O.A., Kruglova N.N. Properties of the initial stages of embryoidogenesis in vitro in wheat calli of various origin // Biol. Bull. 2013. 40. P. 447–454. DOI: 10.1134/S1062359013050154
62. Seldimirova O.A., Kruglova N.N., Titova G.E., Batygina T.B. Comparative ultrastructural analysis of the in vitro microspore embryoids and in vivo zygotic embryos of wheat as a basis for understanding of cytophysiological aspects of their development // Russ. J. Develop. Biol. 2017. V. 48. Р. 185–197. DOI: 10.1134/S1062360417030109
63. Seldimirova O.A., Kudoyarova G.R., Kruglova N.N., Zaytsev D.Yu., Veselov S.Yu. Changes in distribution of cytokinins and auxins in cell during callus induction and organogenesis in vitro in immature embryo culture of wheat // In Vitro Cell Dev. Plant. 2016a. V. 52. P. 251-264. DOI: 10.1007/S11627-016-9767-4
64. Seldimirova O.A., Titova G.E., Kruglova N.N. A complex morpho-histological approach to the in vitro study of morphogenic structures in a wheat anther culture // Biol. Bull. 2016b. V. 43. Р. 121–126. DOI: 10.1134/S1062359016020084
65. Seldimirova O.A., Zaytsev D.Yu., Galin I.R., Kruglova N.N. Phytohormonal regulation of in vitro formation of wheat androgenic structures // Научный результат. Серия физиология. 2016c. Т. 2. С. 3-8. DOI: 10.18413/2409-0298-2016-2-1-3-8
66. Skoog, Miller C.O. Chemical regulation of growth and organ formation in plant tissues cultured in vitro // Sympos. Soc. Exp. Biol. 1957. V. 11. P. 118.
67. Slesak H., Goralski G., Pawłowska H. The effect of genotype on a barley scutella culture. Histological aspects // Cent. Eur. J. Biol. 2013. V. 8. P. 30–37. DOI: 2478/s11535-012-0113-5
68. SugiyamaМ. Historical review of research on plant cell dedifferentiation // J. Plant Research. 2015. V. 128. P. 349–359. DOI: 1007/s10265-015-0706-y
69. Titova G.E., Seldimirova O.A., Kruglova N.N., Galin I.R., Batygina T.B. Phenomenon of “Siamese embryos” in cereals in vivo and in vitro: Cleavage polyembryony and fasciations // Russ. J. Develop. Biol. 2016. V. 47. Р. 122–137. DOI: 10.1134/S1062360416030061
70. Vysotskaya L.B., Veselov S.Y., Veselov D.S., Filippenko V.N., Ivanov E.A., Ivanov I.I., Kudoyarova G.R. Immunohistological localization and quantification of IAA in studies of root growth regulation // Russ. J. Plant Physiol. 2007. V. 54. P. 827–832. DOI: 1134/S1021443707060167
71. Zhuravlev Yu.N., Omelko A.M. Plant morphogenesis in vitro // Russ. J. Plant Physiol. 2008. V. 55. P. 579–596. DOI: 10.1134/S1021443708050014
72. Zur I., Dubas E., Krzewska M. et al. Hormonal requirements for effective induction of microspore embryogenesis in triticale (xTriticosecale Wittm.) anther cultures // Plant Cell Rep. 2015. V. 34. P. 47–62. DOI: 10.3389/fpls.2015.00424
73. Zur I., Dubas E., Krzewska M. Current insights into hormonal regulation of microspore embryogenesis // Doubled haploidy in model and recalcitrant species. Plant Sci., 2016. Р. 110-109. DOI: 10.3389/978-2-88919-783-5