다양한 배양조건을 이용하여 당근 모상근의 생장과 carotenoid 함량을 조사하였으며, 이러한 배양조건을 airlift형생물 반응기에 적용하여 모상근의 다량 배양을 시도하였다. 고형배지 배양에서의 carotenoid 함량은 광조건에서 배양된 모상근이 암조건에서 배양된 모상근보다 10배 정도 증가하였으며, 모상근의 생장은 광조건이 암조건보다 낮은 수준이었다. 공기 유출기 배양에서는 모상근이 광조건과 암조건 모두에서 매우 빠르게 생장하여 생줄량의 차이가 없었으며, 모상근의 생장과 carotenoid 함량에 있어서 빛의 조사는 모상근의 전체적인 생중량을 증가시키기 보다는 배양 후기 생장단계에서 carotenoid 함량을 증가시켜서 암조건에 비하여 10배 정도의 carotenoid(11 $\mu\textrm{g}$/g)를 생산하였다. 모상근을 생물 반응기에서 배양하였을 때, 모상근이 지수함수적으로 빠르게 생장하여 배양 25일 동안에 처음 무게의 11배를 나타내었다. 그리고 pH는 처음 5.5에서 5일후 4.9로 떨어지다가 그 이후에 일정한 수준(pH 4.8)을 보여주었으며, 광주기와 광도을 조절하지 않은 상태에서의 carotenoid 함량은 2$\mu\textrm{g}$/g으로 나타났다.
본 실험은 그늘쑥을 Agrobacterium을 통해 형질전환체인 모상근을 유기하고 모상근의 대량배양을 위해 모상근이 가장 잘 자라는 생장 조건을 찾기 위해 수행되었다. 실험 결과를 종합해 보면 선발된 그늘쑥 모상근 세포주의 대량 생산을 위한 최적 배지는 MS 기본 배지임을 확인하였다. 또한 최적의 havesting time 모상근의 성장률이 좋고 갈변과 배지의 미생물 오염도가 적은 4주가 적당한 것으로 판단된다. 그리고 광 처리 하에서 모상근을 배양하는 것보다는 암상태에서 모상근을 키우고 pH는 5.8 정도가 탄소원은 sucrose로 3.5%가 모상근 을 대량배양시 최적조건임을 확인되었다. 미량원소인 Fe$^{2+}$은 0.1 mM을 처리하는 것이 모상근의 성장을 촉진하였으며 spermine과 spermidine은 각각 10 mM와 100 mM로 처리하는 것이 모상근의 성장을 높일 수 있다. 앞으로 연구는 이 결과를 토대로 모상근 대량 배양을 위한 scale up조건과 bioreator의 설계에 관한 연구가 필요하다.
인삼의 뿌리절편, 줄기, 엽병에 Agrobacterium을 접종하여 고생장 모상근을 선발하고자 수행하였다. 인삼 뿌리 절편에서 A. rhizogenes R1000과 A. rhizogenes $A_4$에 의하여 모상근이 유도되었으며, 인삼의 줄기 및 엽병에서도 모상근이 유도되었다. 유도된 모상근은 rolC및 virC DNA절편의 확인으로 형질전환체임을 확인하였으며, 균이 제거된 모상근을 선발하였다. 선발된 모상근 300 세포주중 성장과 형태적 특징이 뚜렷한 11 모상근을 선발하였다. 이들 모상근은 주근이 비후된 것, 주근이 가는 것, 측근의 돌기가 많은 것, 측근의 생장이 높은 것 등의 특징을 나타내었다. 이들 11 모상근중 주근이 가늘고 측근의 생장이 왕성한 형태가 모상근의 생장이 좋았으며, 주근이 비후되고 측근의 돌기가 많은 형태는 생장이 낮았다. 본 연구에서 인삼 뿌리절편으로부터 고생장 모상근인 KGHR-1, KGHR-5, KGHR-8을 선발하였다.
형질전환된 소리쟁이 모상근의 기내 배양시 그 생장 특성과 anthraquinone생산성을 조사하기 위하여 소리쟁이의 모상근을 Agrobacterium rhirogenes strain $A_4$ 접종에 의하여 잎 절편으로부터 유기하여 부정근과 비교하였다. 잎 절편에서의 부정근 형성은 5 $\mu$M NAA를 첨가한 MS배지에서 가장 양호하였다. Paper electrophoresis를 통한 opine분석 결과 모상근에서만 mannopine이 검출되고 부정근에서는 검출되지 않았다. 부정근과 모상근 모두에서 2차근인 측근 근단은 호르몬을 첨가하지 않은 배지에서 신장만 할 뿐 분지하지 않았으나, 1차근인 주근의 근단은 많은 측지를 내며 빠르게 생장하였다. Anthraquinone 함량 증대에 따른 부정근과 모상근의 생장에는 MS기본 배지가 가장 양호하였다. 부정근과 모상근 배양시 생장량과 anthraquinone함량은 5% sucrose를 포함한 0.05 $\mu$M NAA와 0.1 $\mu$M kinetin으로 조성된 MS 액체 배지에서 가장 높은 것으로 나타났으며, 모상근의 anthraquinone함량은 배양 일수에 따라 증가하다가 배양 25일 이후에는 감소하였다.
Agrobacterium rhizogenes에 의하여 형질전환된 인삼 모상근을 배양하여 빛, 탄소원의 종류, 여러 가지 호르몬의 첨가가 모상근의 생장과 수용성 색소인 anthocyanin의 생산에 미치는 영향을 조사하였으며, 배양된 모상근으로부터 색소를 추출, 분리하여 anthocyanin을 동정하였다. 모상근을 광조건에서 배양하면 배양 5일 후부터 색소를 합성하였으며 배양 30일에 0.36mg/g(fr wt)의 색소를 생산하였다. 모상근의 배양시 총질소농도 60mM, 탄소원으로 sucrose가 모상근의 생장과 색소의 생산에 적합하였으며, 0.5mg/L IAA를 첨가하였을 때 모상근이 가장 빠르게 생장하였고 1 mg/L IAA를 첨가하였을 때 가장 높은 색소함량(0.41mg/g, fr wt)을 나타내었다. 그러나 2,4-D의 경우 모상근의 생장과 색소합성이 억제되는 경향을 보여주었다. 아울러 anthocyanin 색소를 분리, 동정한 결과 pelargonidin-glucoside로 확인되었다.
rosmarinic acid 생산에 미치는 영향을 알아보기 위하여 5계통의 strain (13333, 15834, R1000, R1200, R1601)을 이용하여 조사한 결과 A. rhizogenes R1601이 가장 높은 72.9%의 모상근 유도율을 보였다. 모상근 유도시 모상근 발생 수와 길이 신장에 미치는 영향을 조사한 결과도 A. rhizogenes R1601으로 감염시킨 잎 조직에서 평균 5.4개의 모상근이 발생하였으며, 평균 2.0 cm의 길이 신장으로 가장 좋은 결과를 나타냈다. 다섯 계통의 A. rhizogenes감염으로부터 유도된 각각의 모상근의 생육은 서러 다른 양상을 보였으나 경향은 모상근유도 결과와 유사하였다. A. rhizogenes R1601 감염으로 유도된 모상근의 생육은 배양 2주후 건물중을 조사한 결과 13.5 g/l로 다른 계통에서 유도된 모상근 보다 생육이 양호하였으며, Rosmarinic acid 생산량도 22.6 mg/g D.W.로 다른 계통에 비하여 가장 높게 나타났다. A. rhizogenes R1601이 배초향 모상근 유도, 생육과 rosmarinic acid 생산에 가장 좋은 적합한 계통이었음을 알 수 있었다.
본 연구는 아그로박테리움을 이용한 기능획득 일일초 모상근의 대량생산을 위한 조건 확립에 대한 것이다. 본 연구에서는, 효율적인 형질전환 일일초 모상근 생산에 있어서의 최적의 일일초 품종의 선발과 최적의 일일초 조직을 결정하였으며, 또한 다양한 배지에 있어서의 모상근 유도를 조사하였다. 최종적으로 약 2,500개의 독립적인 형질전환 일일초 모상근 line을 생산하였으며, 또한 이들을 이용하여, 대사체 연구를 위한 효율적 관리 시스템을 구축하였다. 이들 모상근 line은 일일초 인돌알칼로이드 생합성 관련 유전자의 발굴 및 기능해석에 유용하게 쓰일 것이다.
미치광이풀(Socopolia parviflora Nakai) 모상근 배양에서 모상근 생장과 tropane alkaloid 생산에 대한 sucrose농도와 일부 흡착제의 효과를 조사하였다. 모상근 클론 SP 11은 5% sucrose 농도를 함유한 1/2 B5 배지에서 최적인 생장과 tropane alkaloid 생산을 보였다. 모상근에서 tropane alkaloids 생성양상은 모식물에서와 약간의 차이를 보였고 그 중 식물체에서 검출되지 않는 littorine의 생성이 모상근에서 두드러졌다. 조사된 흡착제(0.01% 1%) 중에서, charcoal 0.01%와 XAD-II l%에서 약간의 생장촉진효과를 보인 것을 제외하고는 그 외 농도나 흡착제(amberlita chitosan)에서는 억제효과 또는 유의적인 변화를 보이지 않았다. 반면에 hydroxyapatite는 미치광이풀 모상근의 생장과 tropane alkaloid 생산에 있어 촉진효과가 있음이 확인되었다.
자리공 엽절편에 Agrobacterium tumefaciens $A_4$T을 접종하여 암상태에서 초기 접종량의 139배로 분지능이 높고 성장률이 우수한 모상근 세포주인 PEH2를 선발하였다. 선발된 모상근으로부터 생리활성 물질인 Phytolaccoside G 및 D2를 IR, Mass, NMR등으로 동정하였다. 모상근 PEH2의 성장은 SH배지에서 가장 양호하였으며, 암상태 보다 광상태에서 배양하였을 때 40% 성장이 억제되었으며, betalain의 생성은 white 배지에서 가장 양호하였다. 배지별 Phytolaccoside G와 D2의 생성은 MS배지에서 암상태로 배양하였을 때 가장 양호하였으며, SH 및 . White 배지에서는 암상태보다 광상태에서 높은 생성을 나타내어 phytolaccoside G와 D2의 생성은 광에너지에 의하여 조절됨을 확인하였다. 자리공 모상근에서 betalain 및 phytolaccoside G와 D2의 생산성을 향상시키기 위한 방안으로 처리한 elicitor 을 처리하였던 바, 모상근의 성장은 억제되었으나, chitosan 및, yeast extract에 의하여 betalain 및 Phytolaccoside G와 D2의 생성이 촉진되어 적절한 elicitor와 광의 조합처리는 자리공 모상근으로부터 betalain 및 Phytolaccoside G와 D2의 생산성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
당근 모상근의 생리학적 특성을 기존의 현탁 배양세포와 영양 요구성의 관점에서 비교, 고찰 하였다. 인산염과 질소원 등 무기 영양분의 영 향은 당근현탁세포에서와 통일하였고 모상근 성 장의 최 척 sucrose 농도는 7%로, 3 % sucrose 농도에서 최대 성장을 보인 현탁세포와는 다른 결과를 나타내였다. 이는 현탁배양세포는 미분 화된 상태로 세포 각각이 외부 환경과 접촉하고 있으므로, 분화되어 기관 스스로 세포 성장에 적합한 환경을 만드는 모상근보다 외부 환경에 민감하게 작용하여 나타나는 현상으로 해석되었다. Sucrose가 모상근의 성장에 미 치는 기작을 밝히기 위하여 삼투압 조절제인 mannitol을 배 지에 첨가하여 sucrose 농도가 생체중량과 건조 중량 각각에 미치는 영향을 고찰하였다. 모상근의 성장은 배지 내 sucrose 농도에 영향을 받았 고, sucrose 농도가 통 일할 때 건조중량 증가는 생체중량 증가보다 크게 나타났다. 따라서 모상 근 배양계에서 sucrose는 삼투압 조절제로서의 역할보다 주로 에너지원의 역할을 하는 것으로 판단되 었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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