더덕 (Codonopsis lanceolata)의 부정근 유도 및 생장에 미치는 배양조건과 생물반응기 배양 Induction and growth of adventitious roots and bioreactor culture in Codonopsis lanceolata원문보기
본 연구는 더덕의 부정근 배양조건과 생물반응기를 이용한 대량생산 체계를 확립하고자 수행하였다. 먼저 기내 식물체를 이용하여 잎, 줄기와 뿌리로부터 부정근을 유도하였다. 부정근의 유도는 줄기에서 가장 높은 결과를 보였다. 또한, 오옥신 종류별 (NAA, IBA와 IAA) 처리시 절편당 부정근 유도수는 1.0 mg/L IBA에서 $9.9{\pm}1.2$개로 가장 양호 하였다. 그렇지만 유도된 부정근의 길이생장은 0.1 mg/L IBA에서 가장 활발하였다. 최적조건의 액체배지 조성을 선발하고자 생체중 0.2 g의 부정근을 각각 MS, 1/2 MS 및 1/3 MS 액체배지가 든 250 mL 삼각플라스크에 접종한 결과 1/2 MS 배지에서 가장 양호한 생장을 보였다. 액체배지조건에서 진탕배양된 더덕 부정근으로 5 L 용량의 공기부양식 생물반응기에 4주간 배양한 결과 1/2 MS에 1.0 mg/L IBA가 첨가된 배지에서 대조구에 비해 16배의 증식이 이루어졌다. 본 연구에서는 더덕 식물체를 이용하여 부정근을 유도 및 증식에 필요한 배양 조건을 조사하였고, 유도된 부정근을 공기부양식 생물반응기에서 대량증식 할 수 있었다.
본 연구는 더덕의 부정근 배양조건과 생물반응기를 이용한 대량생산 체계를 확립하고자 수행하였다. 먼저 기내 식물체를 이용하여 잎, 줄기와 뿌리로부터 부정근을 유도하였다. 부정근의 유도는 줄기에서 가장 높은 결과를 보였다. 또한, 오옥신 종류별 (NAA, IBA와 IAA) 처리시 절편당 부정근 유도수는 1.0 mg/L IBA에서 $9.9{\pm}1.2$개로 가장 양호 하였다. 그렇지만 유도된 부정근의 길이생장은 0.1 mg/L IBA에서 가장 활발하였다. 최적조건의 액체배지 조성을 선발하고자 생체중 0.2 g의 부정근을 각각 MS, 1/2 MS 및 1/3 MS 액체배지가 든 250 mL 삼각플라스크에 접종한 결과 1/2 MS 배지에서 가장 양호한 생장을 보였다. 액체배지조건에서 진탕배양된 더덕 부정근으로 5 L 용량의 공기부양식 생물반응기에 4주간 배양한 결과 1/2 MS에 1.0 mg/L IBA가 첨가된 배지에서 대조구에 비해 16배의 증식이 이루어졌다. 본 연구에서는 더덕 식물체를 이용하여 부정근을 유도 및 증식에 필요한 배양 조건을 조사하였고, 유도된 부정근을 공기부양식 생물반응기에서 대량증식 할 수 있었다.
This paper reported the establishment of mass production system of adventitious roots of Codonopsis lanceolata through shake flask and bioreactor culture. Induction of adventitious roots was started from the explants of leaf, stem and root on 1/2 strength Murashing and Skoog (MS) solid medium. Stem ...
This paper reported the establishment of mass production system of adventitious roots of Codonopsis lanceolata through shake flask and bioreactor culture. Induction of adventitious roots was started from the explants of leaf, stem and root on 1/2 strength Murashing and Skoog (MS) solid medium. Stem segments were the best explants for induction of adventitious roots compared to leaf and root segments. Among the different auxins tested (NAA, IBA and IAA), number of adventitious root per explant was highest on solid medium with 1.0 mg/L IBA, and produced $9.9{\pm}1.2$ roots per explant. However, growth of adventitious roots was fast in the presence of IBA at low concentration (0.1 mg/L). In shake flask culture, maximum production of adventitious roots (fresh weight) was obtained in half-strength MS medium compared to full-strength and one-third MS medium. When the adventitious roots produced in shake-flask culture were transferred to 5 L air-lift bioreactor, 16 times of fresh weight increase was gained after one month of culture. These results indicate that this protocol for the production of C. lanceolata adventitious roots can be applied to large scale culture for practical application.
This paper reported the establishment of mass production system of adventitious roots of Codonopsis lanceolata through shake flask and bioreactor culture. Induction of adventitious roots was started from the explants of leaf, stem and root on 1/2 strength Murashing and Skoog (MS) solid medium. Stem segments were the best explants for induction of adventitious roots compared to leaf and root segments. Among the different auxins tested (NAA, IBA and IAA), number of adventitious root per explant was highest on solid medium with 1.0 mg/L IBA, and produced $9.9{\pm}1.2$ roots per explant. However, growth of adventitious roots was fast in the presence of IBA at low concentration (0.1 mg/L). In shake flask culture, maximum production of adventitious roots (fresh weight) was obtained in half-strength MS medium compared to full-strength and one-third MS medium. When the adventitious roots produced in shake-flask culture were transferred to 5 L air-lift bioreactor, 16 times of fresh weight increase was gained after one month of culture. These results indicate that this protocol for the production of C. lanceolata adventitious roots can be applied to large scale culture for practical application.
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문제 정의
본 연구는 더덕의 부정근 배양조건과 생물반응기를 이용한 대량생산 체계를 확립하고자 수행하였다. 먼저 기내 식물체를 이용하여 잎, 줄기와 뿌리로부터 부정근을 유도하였다.
0 mg/L IBA가 첨가된 배지에서 대조구에 비해 16배의 증식이 이루어졌다. 본 연구에서는 더덕 식물체를 이용하여 부정근을 유도 및 증식에 필요한 배양 조건을 조사하였고, 유도된 부정근을 공기부양식 생물반응기에서 대량증식 할 수 있었다.
본 연구에서는 더덕의 식물체로부터 부정근의 유도에 미치는 배양재료, 배지, 오옥신 등 배양조건을 확립하고, 부정근의 액체배양 체계 확립과 생물반응기를 이용한 대량 생산 및 증식을 하기 위하여 실시되었다.
제안 방법
따라서 대량의 용기에서 배양하고자 할 경우는 공기부양식 생물반응식이 보다 효율적이다. 5 L의 생물반응기에 오옥신으로 0.1, 0.5 및 1.0 mg/L IBA를 다르게 첨가 한 다음 4주간의 암조건에서 배양하였다. 생체중 10 g의 부정근을 접종하여 4주간의 배양한 결과배양 2주부터 급속히 생장하면서 대수 증식을 보이며 전형적 인 식물생장곡선양상을 보였다 (Figures 4E, 5).
강원대학교 학술림 내에서 야생으로 자생하고 있는 더덕 (Codonopsis lanceolata) 식물체를 채취하여 기내배양을 위해줄기 절편을 잘라 증류수로 수세한 후 70% 에탄올로 30초간 소독흐]였으며, 1% sodium hypochlorite에 10분 동안 침지하여 표면살균 하였다. 이후 멸균수로 3회 세척 후 줄기 절간 부분을 약 1 cm로 절단하여 식물체를 유도하였다.
오옥신 처리 조건을 조사하였다. 고체배지에서 유도된 부정근 (0.2 g)을 MS, 1/2 MS 및 1/3 MS으로 농도를 달리한 액체배지에 각각 0.1 mg/L IBA와 3% sucrose를 첨가된 배지에 접종하 였다. 배양용기는 250 mL 삼각플라스크를 이용하였으며 100 mL씩 분주하였다.
생장 또한 빠른 장점이 있다. 따라서 고체 배지에서 유도된 더덕 부정근의 증식을 위해 액체 진탕배양을 시도하였다. 최적조건의 액체배지 조성을 선발하고자 생체 중 0.
또한 유도된 부정근의 증식은 NAA는 0.1, 0.5, 1.0 및 2.0 mg/L로 그리고 IBA는 0.01, 0.05, 0.1, 0.3 및 0.5 mg/L로 달리하여 첨가한 1/2 MS 고체배지에 약 1 cm 크기의 부정근을 Petri-dish 당 10개씩 3개의 Petri-dish에 치상하였으며, 4주간 배양 한 후, 절편체 당 유도된 부정근 수 및 길이를 조사하여 증식률을 비교하였다.
대량생산 체계를 확립하고자 수행하였다. 먼저 기내 식물체를 이용하여 잎, 줄기와 뿌리로부터 부정근을 유도하였다. 부정근의 유도는 줄기 에서 가장 높은 결과를 보였다.
본 결과에서는 더덕 식물체를 이용하여 최적의 부정근을 유도 조건을 조사하였고, 유도된 부정근을 삼각플라스크 및공기부양식 생물반응기에서 대량증식 하였다. 이 결과 10 g 의 부정근으로써 4주 만에 16배가 증식되어 약 160 g의 부정근을 얻을 수 있었다.
삼가플라스크에서 증식된 더덕 부정근 (생체중 10 g)을 3 L 1/2 MS 배지가 첨가된 5 L 용량의 공기부양식 생물반응기 (air-lift bioreactor)에 접종하였다. 이때 오옥신의 농도는 삼가 플라스크와 같이 0.
상기 식물체의 부위별 부정근을 유도하기 위하여 잎 5 X 5 의 크기로 절단하여 사용하였고, 줄기와 뿌리 각각 5 mm의 크기로 1/2 MS (Murashige and Skoog 1962) 기본배지에 1 mg/L NAA (IBA 또는 IAA를 첨가한 부정근 유도 배지에 치상하여 4주간 배양한 후에 유도된 부정근 수를 조사하였다. 또한 유도된 부정근의 증식은 NAA는 0.
액체 배양을 통한 부정근의 증식에 있어서 배지농도 농도 및 오옥신 처리 조건을 조사하였다. 고체배지에서 유도된 부정근 (0.
0 mg/L IBA를 달리하여 부정근 생산에 적절한 오옥신 농도를 조사하였다. 이때 생물반응기의 공기 주입량은 0.1 wm (air volume/culture volume/min)으로 조절하였으며, 배양은 암조건에서 상기한 동일한 배양조건에서 4주간 배양한 다음 생중량 및 건중량 증식을 조사하였다.
bioreactor)에 접종하였다. 이때 오옥신의 농도는 삼가 플라스크와 같이 0.1, 0.5 및 1.0 mg/L IBA를 달리하여 부정근 생산에 적절한 오옥신 농도를 조사하였다. 이때 생물반응기의 공기 주입량은 0.
따라서 고체 배지에서 유도된 더덕 부정근의 증식을 위해 액체 진탕배양을 시도하였다. 최적조건의 액체배지 조성을 선발하고자 생체 중 0.2 g의 부정근을 MS, 1/2 MS 및 1/3 MS 액체배지가 든 250 mL 삼각 플라스크에 접종하여 120 rpm으로 4주간 진탕배양하였다. 이 결과 액체 배양 초기에는 현저한 생육의 차이를 보이지 않았으나 배양 2주가 되면서 급속한 생장을 보이기 시작하였으며, 배양 4주 후 수확하여 생체중 을 비교한 결과 MS 배지에서는 0.
배양용기는 250 mL 삼각플라스크를 이용하였으며 100 mL씩 분주하였다. 한편 적절한 오옥신 (IBA)농도를 조사하기 위해 1/2 MS 액체배지에 IBA (0.1, 0.5 및 1.0 mg/L)를 넣고 상기 같은 방법으로 접종하였다. 사용된 배양용기는 250 mL 크기의 삼각 플라스크를 이용하였으며 4주간 100 rpm으로 진탕배양 하였으며, 배양 후 생체중을 측정하였다.
한편, 부정근의 증식의 최적 농도조건을 확립하기 위해 길이가 1 cm 정도의 부정근 절편체를 만든 후 NAA와 1BA 호르몬을 농도별 (0, 0.1, 0.5, 1.0 및 2.0 tng/L)로 처리한 배지에 치상하여 4주간 배양한 후 절편당 부정근의 유도개수 및 길이를 조사하였다. 호르몬을 첨가하지 않은 처리 구에서는 부정근이 전혀 유도되지 않았으나 NAA와 IBA를 처리한 처리 구에서는 부정근이 활발이 유도되었다 (Table 3).
성능/효과
3으로 가장 길었다. NAA 처리구에서도 IBA 처리구와 부정근 유도율은 비슷하였으나 절편체 및 형성된 부정근에서 다시 캘러스가 형성되는 것을 관찰할 수 있었으며, 유도된 부정근의 길이 생장 또한 IBA 처리보다 좋지 않았다. 또한 호르몬에 관계없이 NAA와 IBA 모두 농도가 높아 질수록 부정근의 길이생장이 저해된 반면 부정근이 짧고 굵은 모양을 지녔으며 아울러 캘러스가 유도 되었다' 특히 2.
6%로 대체적으로 배양재료마다 양호하였다 (Table 1). 각 절편체당 형성된 부정근의 수는 잎의 경우 1AA 처리에서는 1.0 mg/L농도에서 7개로 가장 많았고, 줄기와 뿌리의 경우 IBA 처리에서는 1.0 mg/L에서 각각 9.9개, 6개로 가장 많았다 (Table 2).
1995). 본 연구에서는 더덕 식물체 절편으로부터 캘러스의 형성 단계를 거치지 않고 0.1 mg/L IBA에서 직접 부정근을 2주만에 유도할 수 있었다.
5 g) 의증식 결과를 보였다 (Figure 5). 상기한 삼각플라스크에서 부정근 증식 실험에서와 같이 생물반응기에서도 저농도 IBA (0.1 mg/L)를 처리 한 경우는 부정근의 길이가 고농도 IBA (1.0 mg/L) 처리시 보다 길었으나 생체중의 차이는 고농도 1BA 처리시 약 2배 가량 차이를 보였다. 이러한 결과는 생물반응기에서는 초기 접종량에 비해 16배 이상의 생장을 보임으로 액체현탁배양 조건에서 보인 6배의 생장 보다 3배 이상의 빠른 생장결과였다.
이러한 결과는 생물반응기에서는 초기 접종량에 비해 16배 이상의 생장을 보임으로 액체현탁배양 조건에서 보인 6배의 생장 보다 3배 이상의 빠른 생장결과였다. 생물반응기를 이용한 더덕 부정근을 형태적으로 관찰하였을 때 인삼 부정근보다 뿌리 직경이다소 가늘었으며. 배양 후반 경에 생물반응기내에서는 사포닌에 의한 기 인된다고 판단되는 거품이 심하게 발생하는 것을 볼 수 있었다.
0 mg/L IBA를 다르게 첨가 한 다음 4주간의 암조건에서 배양하였다. 생체중 10 g의 부정근을 접종하여 4주간의 배양한 결과배양 2주부터 급속히 생장하면서 대수 증식을 보이며 전형적 인 식물생장곡선양상을 보였다 (Figures 4E, 5). 증식된 부정근의 건물 중은 4주 배양 후 0.
2 g의 부정근을 각각 MS, 1/2 MS 및 1/3 MS 액체배지가 든 250 mL 삼각플라스크에 접종한 결과 1/2 MS 배지에서 가장 양호한 생장을 보였다. 액체배지조건에서 진탕 배양된 더덕 부정근으로 5 L 용량의 공기부양식 생물반응기에 4주간 배양한 결과 1/2 MS에 1.0 mg/L IBA가 첨가된 배지에서 대조구에 비해 16배의 증식이 이루어졌다. 본 연구에서는 더덕 식물체를 이용하여 부정근을 유도 및 증식에 필요한 배양 조건을 조사하였고, 유도된 부정근을 공기부양식 생물반응기에서 대량증식 할 수 있었다.
생물반응기에서 대량증식 하였다. 이 결과 10 g 의 부정근으로써 4주 만에 16배가 증식되어 약 160 g의 부정근을 얻을 수 있었다. 향후, 더덕 부정근 대량배양을 이용하여 생리활성 물질의 생산 또는 기능성 식품이나 건강 식품 또는 의약품 원료로 개발할 수 있을 것이다.
2 g의 부정근을 MS, 1/2 MS 및 1/3 MS 액체배지가 든 250 mL 삼각 플라스크에 접종하여 120 rpm으로 4주간 진탕배양하였다. 이 결과 액체 배양 초기에는 현저한 생육의 차이를 보이지 않았으나 배양 2주가 되면서 급속한 생장을 보이기 시작하였으며, 배양 4주 후 수확하여 생체중 을 비교한 결과 MS 배지에서는 0.52 g, 1/2 MS에서는 1.38 g, 그리고 1/3 MS 에서는 0.94 g으로 1/2 MS 배지에서 가장 양호한 생장을 보였다 (Figure 2). 이는 초기 접종량의 6배 이상의 생장을 보였다.
0 mg/L) 처리시 보다 길었으나 생체중의 차이는 고농도 1BA 처리시 약 2배 가량 차이를 보였다. 이러한 결과는 생물반응기에서는 초기 접종량에 비해 16배 이상의 생장을 보임으로 액체현탁배양 조건에서 보인 6배의 생장 보다 3배 이상의 빠른 생장결과였다. 생물반응기를 이용한 더덕 부정근을 형태적으로 관찰하였을 때 인삼 부정근보다 뿌리 직경이다소 가늘었으며.
각각의 절편 체로부터 부정근은 배양 2주 후부터 생성되기 시작하였다. 잎 절편의 경우 IAA 처리구에서의 부정근 형성율은 80%였고, 줄기 절편 체에서는 오옥신 종류에 관계없이 모든 처리구에서 100%의 부정근 형성률을 보였다. 한편 뿌리절편체에서는 NAA와 IBA 처리구 각각 80%, 86.
호르몬을 첨가하지 않은 처리 구에서는 부정근이 전혀 유도되지 않았으나 NAA와 IBA를 처리한 처리 구에서는 부정근이 활발이 유도되었다 (Table 3). 절편 체당 형성된 부정근의 유도개수는 0.5 mg/L NAA와 IBA에서각각 5.0±0.2, 9.5±0.4로 가장 양호하였고, 부정근의 길이는 0.1 mg/L NAA와 0.01 mg/L IBA 에서 각각 1.0±0.2, 1.7±0.3으로 가장 길었다. NAA 처리구에서도 IBA 처리구와 부정근 유도율은 비슷하였으나 절편체 및 형성된 부정근에서 다시 캘러스가 형성되는 것을 관찰할 수 있었으며, 유도된 부정근의 길이 생장 또한 IBA 처리보다 좋지 않았다.
생체중 10 g의 부정근을 접종하여 4주간의 배양한 결과배양 2주부터 급속히 생장하면서 대수 증식을 보이며 전형적 인 식물생장곡선양상을 보였다 (Figures 4E, 5). 증식된 부정근의 건물 중은 4주 배양 후 0.1 mg/L IBA에서 생체중 75.3 g (건중량 2.8 g), 0.5 mg IBA에서는 생체중 129 g (건 중량 4.7 g), 1.0 mg/L IBA에서는 약 160.1 g (건중량 5.5 g) 의증식 결과를 보였다 (Figure 5). 상기한 삼각플라스크에서 부정근 증식 실험에서와 같이 생물반응기에서도 저농도 IBA (0.
1 mg/L IBA에서 가장 활발하였다. 최적조건의 액체배지 조성을 선발하고자 생체중 0.2 g의 부정근을 각각 MS, 1/2 MS 및 1/3 MS 액체배지가 든 250 mL 삼각플라스크에 접종한 결과 1/2 MS 배지에서 가장 양호한 생장을 보였다. 액체배지조건에서 진탕 배양된 더덕 부정근으로 5 L 용량의 공기부양식 생물반응기에 4주간 배양한 결과 1/2 MS에 1.
후속연구
이 결과 10 g 의 부정근으로써 4주 만에 16배가 증식되어 약 160 g의 부정근을 얻을 수 있었다. 향후, 더덕 부정근 대량배양을 이용하여 생리활성 물질의 생산 또는 기능성 식품이나 건강 식품 또는 의약품 원료로 개발할 수 있을 것이다.
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