Ростовая кривая каллусных клеток имеет S-образную форму.
Представленный график включает пять фаз.
- Во время первой – латентной фазы увеличения числа и массы клеток не происходит. Клетки в этот период подготавливаются к делению.
- Вторая фаза - период экспоненциального роста, характеризующаяся наибольшей митотической активностью и увеличением массы каллусной культуры. Ее длительность зависит от количества и физиологического состояния инокулюма, состава питательной среды, газового режима и условий перемешивания. Кроме того, рост здесь происходит с ускорением.
- Третья фаза – линейная, где скорость роста клеток относительно постоянна.
- Четвертая фаза замедленного роста, при которой митотическая активность клеток резко снижается. Уменьшается число органелл, митохондрии изменяют форму. Происходят выбросы этилена, синтез ключевых ферментов вторичною метаболизма, «белков старения». Уровень дыхания снижается. Часть клеток переходит в дифференцированное состояние, тем самым увеличивается морфофизиологическая гетерогенность популяции. Возрастает pH культуральной жидкости
- Пятая фаза – стационарная или период деградации. Скорость нарастания клеточной массы здесь равна нулю. В этот период в популяции стабилизируется pH культуральной жидкости, низок уровень дыхания, появляются очень крупные вакуолизированные клетки. Продлению стационарной фазы может способствовать отсутствие лимитации по углеводному питанию, температурный оптимум, соответствующий газовый режим.
На электронно-микроскопических фотографиях показана тонкая структура молодой, растущей и стареющей клетки каллусной ткани:
а – молодая, б – растущая, в – стареющая.
Успех в применении культуры клеток и тканей в первую очередь зависит от оптимизации физиологических процессов, обеспечивающих нормальную пролиферацию, их дифференцировку и регенерацию из них взрослых особей. Наиболее сложной является регенерация растений из отдельных клеток. В первую очередь это касается злаковых растений. Поэтому важнейшее значение имеет выяснение механизма морфогенеза in vitro, регенерация и лежащих в их основе процессов.
Каллусные клетки in vitro сохраняют многие физиолого-биохимические черты, свойственные нормальным клеткам, входящим в состав растительного организма. Каллусные клетки сохраняют способность к синтезу вторичных метаболитов. Морозостойкость и способность к закаливанию присущи каллусным клеткам, полученным от морозостойких растений. Этим свойством не обладают каллусные ткани, полученные от тропических и субтропических культур. Таким образом, устойчивость к низким температурам сохраняется при переходе клетки к каллусному росту. Каллусным тканям свойственна и фотопериодическая реакция, что связано с сохранением активности фитохромов. Общим у каллусные и нормальных клеток растения является и еще ряд признаков, в частности, устойчивость к действию высоких температур, осмотически активных веществ, засолению.
Вместе с тем каллусные клетки обладают отдельными свойствами, отличающими их от нормальных. В них появляются специфические белки, и уменьшается количество белков, характерных для фотосинтезирующих клеток листа, или они совсем исчезают. Каллусные клетки отличаются большой генетической гетерогенностью и физиологической асинхронностью.
В результате выхода из-под контроля организма рост каллусных клеток происходит неорганизованно, асинхронно, и является неограниченным.
Клеточный цикл у каллусных клеток более длительный, чем у растений, произрастающих в открытом грунте. Особенностью каллусных клеток является гетерогенность по возрасту. В каллусной ткани одновременно присутствуют клетки молодые в G1-фазе, старые в G2- и S-фазах цикла клеточных делений.
Для культуры растительных клеток характерна несбалансированность скоростей роста биомассы по основным критериям. Как правило, максимум накопления биомассы в режиме периодического выращивания сначала наступает по числу клеток, затем по сухой массе и, наконец, по сырой массе. Поэтому для анализа процессов роста и дифференцировки в культуре клеток высших растений желательно проводить определения биомассы по всем основным критериям роста.