광독립영양 기내 미세증식 시스템에서 생육단계별 환경조절을 통한 감자의 기내 및 기외 생육과 에너지 효율 향상 Improvement of Growth of Potato (Solanum tuberosum L. cv. Dejima) Plants at In Vitro and Ex Vitro and Energy Efficiency by Environmental Control with Growth Stage in Photoautotrophic Micropropagation System원문보기
이전 실험에서 결정된 생육 단계별 최적 환경조건을 평가하기 위한 4가지 처리는 다음과 같았다: 생육 단계별 최적 환경 조건을 사용한 광독립 영양배양(photoautotrophic optimum condition with growth stage (POG)), 생육 단계별 평균 광합성 광량자속 밀도(photosynthetic photon fluxdensity(PPFD))와 $CO_2$ 농도를 사용한 광독립 영양배양(photoautotrophic constant condition with average PPFD and $CO_2$ of POG(PCA)), 생육 단계별 최대 PPFD와 $CO_2$농도를 사용한 광독립 영양배양(photoautotrophic constant condition with maximum PPFD and $CO_2$ of POG(PCM)) 그리고 대조군으로 3%의 당을 포함한 광혼합 영양배양(photomixotrophic conventional condition with 3% sucrose(PMC)). 실험 결과 각 생육 단계별 환경제어(POG)는 기내에서 배양된 감자 소식물체의 모든 생육 관련 항목에서 유의적 증진을 유도하였다. 또한 단위 건물중 당 소비된 전력과 $CO_2$는 모든 처리 중 POG에서 가장 낮았다. 기외 이식 이후에도 POG에서 생산된 감자 묘는 PMC에서 자란 감자 묘와 전체적으로 큰 차이 없이 왕성한 생육을 유지하였다. 특히 POC는 기존 광혼합 영양방식(PCM)과 비교했을 때 기외 이식전과 이식 후 20일째 각각 4.7배와 3.8배 높은 건물중을 기록하였다. 따라서 POG와 같은 생육 단계별 환경 조절을 통한 광독립 영양 미세 증식 방법은 에너지 절감 효과와 함께 무균의 건강한 감자 묘의 생산에 효과적이었다.
이전 실험에서 결정된 생육 단계별 최적 환경조건을 평가하기 위한 4가지 처리는 다음과 같았다: 생육 단계별 최적 환경 조건을 사용한 광독립 영양배양(photoautotrophic optimum condition with growth stage (POG)), 생육 단계별 평균 광합성 광량자속 밀도(photosynthetic photon flux density(PPFD))와 $CO_2$ 농도를 사용한 광독립 영양배양(photoautotrophic constant condition with average PPFD and $CO_2$ of POG(PCA)), 생육 단계별 최대 PPFD와 $CO_2$농도를 사용한 광독립 영양배양(photoautotrophic constant condition with maximum PPFD and $CO_2$ of POG(PCM)) 그리고 대조군으로 3%의 당을 포함한 광혼합 영양배양(photomixotrophic conventional condition with 3% sucrose(PMC)). 실험 결과 각 생육 단계별 환경제어(POG)는 기내에서 배양된 감자 소식물체의 모든 생육 관련 항목에서 유의적 증진을 유도하였다. 또한 단위 건물중 당 소비된 전력과 $CO_2$는 모든 처리 중 POG에서 가장 낮았다. 기외 이식 이후에도 POG에서 생산된 감자 묘는 PMC에서 자란 감자 묘와 전체적으로 큰 차이 없이 왕성한 생육을 유지하였다. 특히 POC는 기존 광혼합 영양방식(PCM)과 비교했을 때 기외 이식전과 이식 후 20일째 각각 4.7배와 3.8배 높은 건물중을 기록하였다. 따라서 POG와 같은 생육 단계별 환경 조절을 통한 광독립 영양 미세 증식 방법은 에너지 절감 효과와 함께 무균의 건강한 감자 묘의 생산에 효과적이었다.
This study was conducted to evaluate the effect of optimized environment conditions with growth stage in photoautotrophic micropropagation on the growth of potato (Solanum tuberosum L. cv. Dejima) plantlets and energy efficiency. Optimum environment conditions at each stage were decided in our previ...
This study was conducted to evaluate the effect of optimized environment conditions with growth stage in photoautotrophic micropropagation on the growth of potato (Solanum tuberosum L. cv. Dejima) plantlets and energy efficiency. Optimum environment conditions at each stage were decided in our previous study. For the evaluation of optimized environment control, potato plantlets were cultured under four different conditions: photoautotrophic optimum conditions of photosynthetic photon flux density (PPFD) and $CO_2$ levels with growth stage (POG), photoautotrophic constant condition with average PPFD and $CO_2$ levels (PCA), photoauototrophic constant condition with maximum PPFD and $CO_2$ levels (PCM), and photomixotrophic conventional condition with 3% sucrose (PMC) as control. As a result, environment control with growth stage (POG) significantly promoted all the growth characteristics such as the number of nodes and unfolded leaves, shoot height, shoot diameter, and fresh and dry weights of potato grown in vitro. In addition, based on dry weight consumed electricity and $CO_2$ were the lowest in POG suggesting the highest energy efficiency among the treatments. After transferring potato plantlets to greenhouse, the plantlets under POG showed vigorous growth, which was pretty similar with those under PMC. The accumulations of dry matter in POG were 4.7 times in vitro and 3.8 times in greenhouse as much as those in the conventional control (PCM). Thus, we concluded that in vitro environment control with growth stage induced vigorous growth of potato plantlets both in vitro and in greenhouse with less energy consumption.
This study was conducted to evaluate the effect of optimized environment conditions with growth stage in photoautotrophic micropropagation on the growth of potato (Solanum tuberosum L. cv. Dejima) plantlets and energy efficiency. Optimum environment conditions at each stage were decided in our previous study. For the evaluation of optimized environment control, potato plantlets were cultured under four different conditions: photoautotrophic optimum conditions of photosynthetic photon flux density (PPFD) and $CO_2$ levels with growth stage (POG), photoautotrophic constant condition with average PPFD and $CO_2$ levels (PCA), photoauototrophic constant condition with maximum PPFD and $CO_2$ levels (PCM), and photomixotrophic conventional condition with 3% sucrose (PMC) as control. As a result, environment control with growth stage (POG) significantly promoted all the growth characteristics such as the number of nodes and unfolded leaves, shoot height, shoot diameter, and fresh and dry weights of potato grown in vitro. In addition, based on dry weight consumed electricity and $CO_2$ were the lowest in POG suggesting the highest energy efficiency among the treatments. After transferring potato plantlets to greenhouse, the plantlets under POG showed vigorous growth, which was pretty similar with those under PMC. The accumulations of dry matter in POG were 4.7 times in vitro and 3.8 times in greenhouse as much as those in the conventional control (PCM). Thus, we concluded that in vitro environment control with growth stage induced vigorous growth of potato plantlets both in vitro and in greenhouse with less energy consumption.
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문제 정의
환경 조건을 결정하였다. 따라서 본 연구에서는 이런 단계별 환경 조절이 기존의 미세증식방법과 비교했을 때 생육증진과 에너지절감에 어떠한 효과가 있는지획인해 보았다.
제안 방법
기외 이식 후에 약 3주간 감자 소식물체의 생육을 관찰했다(Table 3). 기내 배양에서도 가장 좋은 생육을 보였던 PCM이 기외에서도 왕성한 생육을 나타냈다.
처리간 에너지 효율을 비교하고자 사용전력 (watt-hour(Wh))과 CO2 소비량을 기록하였다. 이를 이용하여 단위 건물중 당 소비전력 및 사용된 CO2의 양을 계산하였다. 3
이전 실험에서 결정된 생육 단계별 최적 환경 조건을 평가하기 위한 4가지 처리는 다음과 같았다: 생육 단계별 최적 환경 조건을 사용한 광독립 영양배양 (photoautotrophic optimum condition with growth stage (POG)), 생육 단계별 평균 광합성 광량자속 밀도 (photosynthetic photon flux density(PPFD))와 CO2 농도를 사용한 광독립 영양배양(photoautotrophic constant condition with average PPFD and CO2 of POG(PCA)), 생육 단계별 최대 PPFE와 CO2 농도를 사용한 광독립 영양배양(photoautotrophic constant condition with maximum PPFD and CO2 of POG (PCM)) 그리고 대조군으로3%의 당을 포함한 광혼합영양배양(photomixotrophic conventional condition with 3% sucrose(PMC)). 실험 결과 각 생육 단계별 환경제어(POG)는 기내에서 배양된 감자 소식물체의 모든 생육 관련 항목에서 유의적 증진을 유도하였다.
광독립 영양배양 환경에서 자란 소식물체들(POG, PCA, PCM)은 그대로 피트모스 배지에 옮겨졌으며 , 광혼합 영양배양에서 자란 소식물체들 (PMC)은 파이토젤을 수도물로 제거한 뒤 배지에 옮겨졌다. 일본 원예 시험장 양액(1.2 nrScmT)을 하루 4회회당 70 mL) 점적 관수 방법으로 배지에 공급하였다. 처리당 20개체를 사용하여 전개 엽수와 줄기 직경을 이식 후 15일까지 측정하였고, 추가적으로 마디 수, 전개 엽수, 초장, 줄기 직경, 건물중을 22일째 측정하였다.
, UK)를 통해서 챔버에서 유출되는 공기의 COz 농도를 즉정하고, CO2 가스는 유입관을 통해서 공급되었다. 정확한 CO2 제어를 위해서 비례 제어 방식을 사용하였고, 1000 μ㏖.㏖기준 CO2 제어편차는 39 μmol.
측정 항목은 마디 수, 전개된 엽수, 지상부 직경 및 초장, 생체중, 건물중이었다. 처리간 에너지 효율을 비교하고자 사용전력 (watt-hour(Wh))과 CO2 소비량을 기록하였다. 이를 이용하여 단위 건물중 당 소비전력 및 사용된 CO2의 양을 계산하였다.
2 nrScmT)을 하루 4회회당 70 mL) 점적 관수 방법으로 배지에 공급하였다. 처리당 20개체를 사용하여 전개 엽수와 줄기 직경을 이식 후 15일까지 측정하였고, 추가적으로 마디 수, 전개 엽수, 초장, 줄기 직경, 건물중을 22일째 측정하였다. 실험기간 동안 적산일사량은 2.
대상 데이터
4개의 아크릴 챔버(40x60x30 cm)로 구성된 미세 증식 시스템은 서울대 실험 농장에 위치한 컨테이너 (6x3x2.5 m)에 설치되었다. 시스템 제어와 데이터 수집을 위해서 데이터 수집기(CR10X, CampbeH Co Ltd.
감자(Solanum tuberosum L. cv. Dejima)는 파이토젤(2 g.L-1)이 함유된 MS배지 (Murashige와 Skoog, 1962)에서 광혼합 영양 상태 (30 의 당 포함)로 30일간 계대배양 하였다. 그 후 잎이 달린 외마디 감자 외식체를 줄기 끝으로부터 3번째나 5번째 마디에서 채취하여 이를 370 mg 마젠타 용기 (GA 7, Sigma Co Ltd.
1). 기내 배양 20일 후에 각 처리당 20개의 소식물체는 측정 사용되었다. 측정 항목은 마디 수, 전개된 엽수, 지상부 직경 및 초장, 생체중, 건물중이었다.
5 m)에 설치되었다. 시스템 제어와 데이터 수집을 위해서 데이터 수집기(CR10X, CampbeH Co Ltd., USA), 멀티플렉서(AM416, CampbeU Co Ltd., USA), 그리고 제어기(SDM-CD16AC, Campbell Co Ltd., USA)가 설치되었다. 비분산 적외선 CO2 분석기 (WMA-3, PP systems Co Ltd.
광의 반사나 흡수에 의한 광원 손실을 우려해서 OPP 필름을 배양 용기 뚜껑으로 사용하였다. 폴리우레탄 큐브(90 cm3)를 지지 재료로 사용하였으며, 대조군(3% 당 함유 MS배지 사용)을 제외한 처리군의 경우 비타민과 당이 포함되지 않은 MS배지 (M0221, Duchefa Co Ltd., Netherlands)를 사용하여 광독립 영양 조건에서 감자 소식물체를 배양하였다.
성능/효과
PCA경우 P(g와 유의적 차이는 없었으나, 전체적으로 모든 항목에서 POG보다 낮은 수치를 기록했다' 기내에서 가장 빈약한 생장을 보였던 PMC는 기외 환경에도 가장 부진한 생육을 보였다. POG에서 자란 감자는 PMC에서 자란 감자에 비해 기외 이식전과 이 식후 20일째 각각 4.7배와 3.8배 높은 건물중을 기록하였다. PMC에서 자란 감자는 전개 엽수와 줄기 직경에서도 다른 처리들에서 자란 감자에 비해 지속적으로현저히 저조한 수치를 보였다(Fig.
기내 배양에서도 가장 좋은 생육을 보였던 PCM이 기외에서도 왕성한 생육을 나타냈다. POG역시 마디수나 초장에서 PCM에서 자란 감자 묘와 유의적 차이 없이 비교적 좋은 생장률을 보였다. PCA경우 P(g와 유의적 차이는 없었으나, 전체적으로 모든 항목에서 POG보다 낮은 수치를 기록했다' 기내에서 가장 빈약한 생장을 보였던 PMC는 기외 환경에도 가장 부진한 생육을 보였다.
이 결과는 기존 다른 실험 결과들과 일치하였다(Kozai등, 1991b; Zobayed등, 1999; Xiao와 Kozai, 2004). 광독립 영양배양 처리 중에서 POG는 PCA보다 모든 측정항목에서 유의적으로 높은 수치를 보였다. 또한 가장 높은 PPFD와 CO2 농도를 유지한 PCM과 비교했을 때 POG는 줄기 직경을 제외하곤 모든 생육에서 유의적 차이가 없었다.
8배 높은 건물중을 기록하였다. 따라서 POG와 같은 생육단계별 환경 조절을 통한 광독립 영양 미세 증식 방법은 에너지 절감 효과와 함께 무균의 건강한 감자 묘의 생산에 효과적이었다.
이는 가시광선과 더불어 인공광에 포함된 자외선의 영향으로 판단된다(NiyogL 1999; Smirnoff, 1998). 따라서 기내환경에서 각각의 생육 단계가 요구하는 PPFD와 CO2 농도 조절은 감자 소식물체를 광 독립영양배양법으로 대량 증식하는데 매우 효과적이었다.
광독립 영양배양 처리 중에서 POG는 PCA보다 모든 측정항목에서 유의적으로 높은 수치를 보였다. 또한 가장 높은 PPFD와 CO2 농도를 유지한 PCM과 비교했을 때 POG는 줄기 직경을 제외하곤 모든 생육에서 유의적 차이가 없었다. 이 결과는 생육 단계별로 PPFm와 CO2 농도를 잘 조절한다면, 많은 에너지를 소모하지 않고도 식물체의 생육을 증대시킬 수 있음을 의미한다.
1). 또한 배양방식 특성상 PMC가 가장 낮은 소비 전력과 CO2 소비량을 기록했지만(Fig. 1A), 단위 건물 중 당 소비 전력과 CO2 소비량을 기준으로 비교했을때, POG가 단연 가장 경제적인 배양방법으로 나타났다(Fig. IB). PCM에 재배된 감자 소식물체의 경우 재배 전기간 동안 강광에 노출되어 그로 인한 스트레스 증상들을 전개된 잎들에서 쉽게 발견할 수 있었다.
sucrose(PMC)). 실험 결과 각 생육 단계별 환경제어(POG)는 기내에서 배양된 감자 소식물체의 모든 생육 관련 항목에서 유의적 증진을 유도하였다. 또한 단위 건물중 당 소비된 전력과 CO2는 모든 처리 중 POG에서 가장 낮았다.
또한 가장 높은 PPFD와 CO2 농도를 유지한 PCM과 비교했을 때 POG는 줄기 직경을 제외하곤 모든 생육에서 유의적 차이가 없었다. 이 결과는 생육 단계별로 PPFm와 CO2 농도를 잘 조절한다면, 많은 에너지를 소모하지 않고도 식물체의 생육을 증대시킬 수 있음을 의미한다. 실제로 소비된 전력량과 CO2 양을 분석해 본 결과 예상대로 PCM에서 재배 기간 동안 가장 많은 전력과 CO2 가 소비되었다(Fig.
2). 전체적으로 광독립 영양배양(POG, PCA, PCM)이 광혼합 영양배양(PMC:보다 월등히 우량한 감자 묘를 생산하였다. 이 결과는 기존 다른 실험 결과들과 일치하였다(Kozai등, 1991b; Zobayed등, 1999; Xiao와 Kozai, 2004).
기내 배양 20일 후에 각 처리당 20개의 소식물체는 측정 사용되었다. 측정 항목은 마디 수, 전개된 엽수, 지상부 직경 및 초장, 생체중, 건물중이었다. 처리간 에너지 효율을 비교하고자 사용전력 (watt-hour(Wh))과 CO2 소비량을 기록하였다.
기외 이식 이후에도 POG에서생산된 감자 묘는 PMC에서 자란 감자 묘와 전체적으로 큰 차이 없이 왕성한 생육을 유지하였다. 특히 POG는 기존 광혼합 영양방식 (PCM)과 비교했을 때 기외 이식전과 이식 후 20일째 각각 4.7배와 3.8배 높은 건물중을 기록하였다. 따라서 POG와 같은 생육단계별 환경 조절을 통한 광독립 영양 미세 증식 방법은 에너지 절감 효과와 함께 무균의 건강한 감자 묘의 생산에 효과적이었다.
후속연구
따라서 생육 단계에 따라서 적절한 환경 조절을 통해 감자 소식물체의 초기 생장을 최대한 이끌어 내는 것이 필요하다. 더불어 실제적이고 경제적인 측면까지 생각한다면, POG와 같은 생육 단계별 환경 조절을 통한 광독립 영양 미세증식 방법은 앞으로 식물 조직 배양분야에서 이용될 수 있는 잠재력 있는 기술로 생각된다.
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