Ginseng(Panax ginseng C. A. Meyer) is important medicinal plant but requires 4-year cultivation for root harvest because of slow growth. In contrast, ginseng hairy roots induced by introducing Ri-plasmid of Agrobacterium rhizogenes into genomic DNA of plant cells show vigorous growth, and the hairy roots produce the same or more saponins than natural ginseng roots. Therefore, hairy roots can be used for commercial purposes. The present study was carried out to induce hairy roots with both active growth and high saponin contents. Numerous hairy roots of Panax ginseng were obtained after root disks of three-year old roots were infected with Agrobacterium rhizogenes R1000 A4T in dark condition after one month of culture. About 3 hundred lines of hairy roots were selected according as morphological characters on medium with carbenicillin. After pre-selection of fifteen lines of hairy roots with active growth, KGHR-l and KGHR-8 lines were finally selected which had characters of high content of ginsenoside-Rd and ginsenoside-Re, respectively. The optimum growth of hairy roots was achieved in the culture of 1/2 MS liquid medium in dark (22 $^{\circ}C$) under 60 rpm gyratory shaking. Hairy roots grew well in 5L Erlenmeyer flasks, lL roller drums, 10L jar-fermenters, and especially in 20L air-lift culture vessels.
It was reported that Red ginseng contains specific ginsenoside-Rg$_2$,-Rg$_3$,-Rh$_1$and -Rh$_2$, which show various pharmacological effects. However, production of these specific ginsenosides from Red ginseng is not commercially applicable because of high cost of the raw material, roots. This work was carried out to examine the production of Red ginseng specific ginsenosides from Agrobacterium-transformed hairy roots. Hairy roots were induced from 3 year-old root segment of Korean ginseng (Panax ginseng C.A. Meyer) after infection with Agrobacterium rhizogenes A4. Among many lines of hairybroots, KGHR-8A was selected. Steam heat treatment of hairy roots was resulted in the changes of ginsenoside composition. Eleven ginsenosides were detected in heat-treated hairy roots but eight in freeze dried hairy roots. In heat treated hairy root, content of ginsenoside-Rb$_1$,Rb$_2$,Rc, Rd, Re, Rf, and Rg$_1$were decreased compared to those of freeze dried hairy roots. However, heat treatment strongly enhanced the amount of Red ginseng specific ginsenogides (ginsenoside-Rg$_2$,-Rg$_3$,-Rh$_1$and -Rh$_2$). Amounts of ginsenoside-Rg$_3$,-Rh$_1$and -Rh$_2$ in heat-treated hairy roots were 2.58, 3.62 and 1.08 mg/g dry wt, respectively, but these were detected as trace amount in hairy roots without heat treatment. Optimum condition of heat treatment for the production of Red ginseng specific ginsenoside was 2 h at 105$^{\circ}C$. This result represents that Red ginseng specific ginsenoside can be producted from hairy roots by steam heat treatment.
The effects of light on the growth and ginsenosides production were examined in the hairy roots of Panax ginsen C.A. Meyer induced by Agrobacterium rhizogines A4. The 9rowth of ginseng hairy roots in 1/2MS liquid medium was significantly decreased with an increment of light intensity (1,000~7,000 lux). The growth of hairy roots under 7,000 lux condition was decreased at 17% compared to the dark condition. The production of 7 ginsenosides in hairy root was very high in 3,500 lux condition. The production of ginsenoside-Rg, and Rf increased 3.3 and, 2.4 times respectively as compared to dark condition. The growth of hairy roots was inhibited by blue light, while ginsenosides production was increased. The sucrose demands of hairy roots was examined in light condition(3,500 lux). The growth of hairy roots in 1/2MS liquid medium with various sucrose concentrations(1~4%) was high in IVp sucrose, while ginsenosides production was high in 3% sucrose condition. The growth and ginsenosides production were high when hairy roots were cultured in dark condition for 1 week and then transferred to light condition(3,500 lux) for 4 weeks. It is suggested that ginsenosides production could be accelerated by light intensity of specific wavelength in cultures of ginseng hairy roots.
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.
한국자원식물학회 1999년도 The 6th International Symposium on the Development of Anti-Cancer Resource from Plants
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pp.46-57
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1999
Ginseng(Panax ginseng C.A. Meyer) is important medicinal plant but requires 4-year cultivation for root harvest because of slow growth. In contrast, ginseng callus and hairy roots grow vigorously and may Produce the same or more biologically active compounds for human health than natural ginseng roots. Therefore, ginseng callus and hairy roots can be used for commercial purposes. Polyacetylene, one of anti-cancer compounds in ginseng, was not detected in the callus cultured on the medium containing 2, 4-B, but cells derived from the callus growth was excellent, The ginseng calli cultured on the medium containing 2mg11 CPA and 0.05mg/1 BA was grown vigorously and produced panaxydol, one of ginseng polyacetylene. The biosynthesis of polyacetylene in callus was not affected by addition of NAA and sucrose in media. The SH medium was better than the MS medium for ginseng callus growth and biosynthesis of panaxydol. Another ginseng anti-cancer compounds, ginsenoside-Rg$_3$, Rh$_1$and Rh$_2$ were detected in ginseng hairy roots by heat treatment. Those of Panax ginseng were obtained after root disks of three-year old roots were infected with Agrobacterium rhizogenes Rl000 $A_4$T in dark condition after one month of culture. The optimum growth of hairy roots was achieved in the culture of 1/2 MS liquid medium in dark(22$^{\circ}C$) under 60 rpm gyratory shaking. Hairy roots grew well in 5 ι Erlenmeyer flasks, 1ι roller drums, 10ι jar-fermenters, and especially in 20ι air-lift .culture vessels. All heat treatments had remarkably different ginsenoside contents. Eleven ginsenosides were determined in heat treatment, eight in freeze dried hairy roots. Contents of ginsenoside-Rbl , Rb2, Rc, Rd. Re, Rf, and Rg$_1$tested in all heat treatments were less than those of freeze dried hairy roots. Contents of glnsenoside-Rg$_2$ in heat treatment for 1 hour at 105$^{\circ}C$ was 4.92mg/g dry wt, 3.9 times higher than 1.27 mg/g dry wt of freeze dried hairy roots. The optimum condition of heat treatment for the production of ginsenoside-Rg$_3$and Rhl was 2 hours at 105$^{\circ}C$, and ginsenoside content was 2.58mg/g dry wt and 3.62mg/g dry wt, respectively. The production of ginsenoside-Rh2 was the highest in heat treatment for 2 hours at 105$^{\circ}C$ among treatments examined, and ginsenoside-Rh$_2$content was 1.08mg/g dry wt.
Effect of ginseng hairy and native roots on body absorption, fecal and urinary excretion of Ingested radiostrontium were investigated in the mouse(NIH-strain, male) treated with or without pre-feeding of each ginseng soluble fraction. The test groups were fed with basic diet supplemented with 1% each ginseng soluble fraction for 7 darts before the radiostrontium were administered by intragastric intubation. In the groups of treated with soluble fraction from ginseng hairy roots, the radioactivities of fecal and urinary excretion increased about 15% over than that of control groups and the whole body retention were about 38%. In the groups of treated with soluble fraction from native ginseng roots, the radioactivities of fecal and urinary excretion increased about 25% over than that of control groups and the whole body retention were about 28%. Also, the levels of radiostrontium accumulation retained significantly the higher percent in skeletons than in other organs.
Hairy root cultures have demonstrated great promise in terms of their biosynthetic capability toward the production of secondary metabolites, but continue to constitute a major challenge with regard to large-scale cultures. In order to assess the possibility of conducting mass production of biomass, and the extraction of useful metabolites from Panax ginseng. P. ginseng hairy roots, transformed by Rhizobium rhizogenes KCTC 2744, were used in bioreactors of different types and sizes. The most effective mass production of hairy roots was achieved in several differently Sized air bubble bioreactors compared to all other bioreactor types. Hairy root growth was enhanced by aeration, and the production increased with increasing aeration rate in a 1 L bioreactor culture. It was determined that the hairy root growth rate could be substantially enhanced by increases in the aeration rate upto 0.5vvm, but at aeration rates above 0.5vvm, only slight promotions in growth rates were observed. In 20 L air bubble bioreactors, with a variety of inoculum sizes, the hairy roots exhibited the most robust growth rates with an inoculum size of 0.1% (w/v), within the range 0.1 to 0.7% (w/v). The specific growth rates of the hairy root decreased with increases in the inoculum size.
Hairy root culture of ginseng is industrially prospected because the cultivation period of ginseng is relatively long. In this study, the effect of medium concentration and sucrose concentration on hairy root culture of ginseng was evaluated. The optimization of ginseng hairy roots transformed by Agrobacterium rhizogene were performed liquid medium. The MS(Murashinge & Skoog basal medium) concentration was selected with 1/2 strength MS and the optimal sucrose concentration was determined at 2-3%(w/v). At the optimum culture condition, The yield (the ratio of weight of grown hairy root cultures to weight of fresh ginseng hairy roots) and production rate of ginseng root were 19.42 times and 5.73 g/l-day. The major ginsenosides were Rb group, Re and Rg1. The produced total ginsenoside content in the solid medium was 9.87 (mg/g) and increased 1.34 times in the liquid medium (13.23 mg/g). In solid culture, the contents of ginsenosides Rb, Re and Rg1 were 2.14, 3.65 and 1.87 mg/g, respectively. In liquid culture, the contents of ginsenosides Rb, Re and Rg1 were 3.54, 4.12 and 2.63 mg/g, respectively.
인삼 뿌리 절편으로 부터 모상근 유기를 위한 최적 조건을 확립하고자 Agrobacterium rhirogenes와 인삼 뿌리 절편의 항생제 내성 조사 및 최적의 모상근 유도 배지를 조사하기 위하여 수행하였다. NaOCl로 인삼 뿌리를 멸균하였을 때, 오염 정도가 감소하면서 조직의 손상이 일어나지 않는 NaOCl의 농도는 7% NaOCl에서 15-20분, 9% NaOCl에서 5분으로 나타났다. 인삼근은 년수가 증가할수록 오염 정도가 심하였으며, 특히 6년근중 표피가 있는 처리구는 오염 정도가 매우 높았다. Agrobacterium의 성장억제를 위한 항생제는 tetracycline이 가장 효과적이었으며, 30mg/L 이상의 농도에서 균의 성장이 억제되었다. 하지만 30mg/L tetracycline에서 인삼 조직이 고사하였으며, cefotaxime(500mg/L), carbenicillin(500mg/L)에서 균의 성장을 완전히 억제하였으며, 조직의 손상이 일어나지 않았다. 3년근 인삼에서 모상근 유도을 위한 배지로는 1/2MS 배지에 500mg/L의 cefotaxime이 첨가된 배지가 가장 좋았으며, 인삼 뿌리 절편에 Agrobacterium을 발라주는 것 보다는 균과 공동배양할때가 절편이 좋았다. Agrobacterium접종 2주 후부터 callus가 유기되기 시작한 후, 다시 2주 후에 모상근이 유도되었다. 유도된 hairy roots는 PCR에 의하여 rol C유전자를 조사함으로서 형질전환체임을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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