KR100189575B1

KR100189575B1 - 종묘배양장치

Info

Publication number: KR100189575B1
Application number: KR1019960014960A
Authority: KR
Inventors: 최상진
Original assignee: 최상진
Priority date: 1996-05-06
Filing date: 1996-05-06
Publication date: 1999-06-01
Also published as: KR970073310A

Abstract

본원의 발명은 식물의 우량한 종묘를 생산하는데, 현재는 조직배양으로 하고 있으나, 이 방법으로는 노동력이 많이 소요되므로 생산비가 높고, 방법 자체가 무균적으로 이루어져야 하므로 작업능률이 낮고 대량생산을 위한 기계화가 어렵다.

조직배양에서는 배양체의 영양분으로 배지에 탄수화물을 첨가하므로 보통의 공기 중에서는 곰팡이나 박테리아가 번식하여 배양을 못쓰게 한다. 이 때문에 조직배양은 모든 과정이 무균상태에서 이루어져야 하며, 이는 다시 생산비를 높히는 주 원인이 된다. 본원은 배지에 탄수화물을 제거한 배지를 공급하고, 그대신 광과 탄산가스를 공급하여 자연계에서 식물체가 하는 것과 같이 배양체 스스로 광합성을 하여 탄수화물을 합성하도록 하는 원리를 응용하는 장치의 개발이다.

이렇게 함으로서 작업에 임하여서 오염에 대한 염려가 없어지므로 작업능률이 향상되고, 오염으로 폐기되는 배양이 없어지므로 생산비가 훨씬 낮아지고, 생산단위가 플라스크나 작은 배양병으로부터 넓은 챔버로 옮겨지게 됨에 따라 적은 노력으로 대량생산이 가능해진다.

Description

종묘배양장치

제1도는 본 발명에 따른 종묘배양장치에 있어서 벤츠형의 개략적인 단면도

제2도는 종묘배양장치에 있어서 캐비닛형의 단면도

제3도는 캐비닛형 배양실내 배지 순환계의 단면도

가. 발명의 필요성(목적)

작물의 우량한 종묘를 생산하는데 흔히 사용되는 조직배양은 무균적으로 이루어져야 하므로 작업능률이 낮고 생산비를 높게하는 원인이 되며, 대량생산을 위한 기계화를 어렵게 한다. 조직배양이 무균상태로 유지되어야 하는 이유는 배지에 첨가되는 당분이 공기 중의 미생물을 번식시켜 배양을 못쓰게 하기 때문이다. 본 연구는 배지에 당분을 제거한 배지를 공급하고, 그대신 광과 탄화가스를 공급하여 배양체 스스로 광합성을 하도록 하는 원리를 응용한 장치의 개발이다.

(1) 경제·산업적인 측면

① 원예에서 무병종묘의 수요가 증가한다.

식생활과 문화수준의 고급화 추세에 따라 농업생산 기술의 과학화가 진행되고, 비닐하우스나 유리온실을 이용한 생산시설은 점차 대형화 되면서 종묘생산과 재배는 독립적으로 분업화되는 경향이다.

시설원예서 종묘비의 지출이 많기 때문에 우량 또는 무병종묘의 요구도는 더욱 강하게 나타나고, 단일품목에 대한 종묘의 수요가 대량화 해 간다. 따라서 우량종묘의 대량 생산체제가 필요하게 된다.

② 조직배양묘는 질적으로 우수하지만, 생산비가 높다.

조직배양이 가장 대중적으로 이용되는 분야는 채소와 화훼류이고, 이중에서도 포장생산이 어렵거나 무병주 양성이 어려운 품목들에서 문제를 잘 해결해주고 있다. 특히 바이러스무병묘를 생산하는데 최선의 방법이다.

현재 조직배양시설은 농사시험기관과 거의 모든 농촌지도소에 설치되어 농민의 기술보급과 우량종묘의 생산보급에 잘 이용되고 있으며, 크고 작은 많은 종묘생산업자들은 이 시설을 필수적인 것으로 구비하고 있다. 그러나 이 방법으로 생산된 종묘값은 자연히 비쌀 수 밖에 없는데, 그 이유는 다음과 같다.

○ 조직배양은 노동집약적이면서 어느정도 지적인 젊은층을 요구하는 인건비가 많이든다(전체생산비의 50%)

○ 배양용기(프라스크, 기타 용기)가 작아서 재료비가 많이 들고, 이를 다루는 작업도 신속하지 못하여 인건비의 지출이 많다.

○ 배양중 오염에 의해서 폐기되는 배양이 많다.

○ 기내 배양묘의 순화용 공간과 시설이 많이 들고 순화 과정에서 묘의 소모가 많다.

③ 새로운 경제적인 종묘번식 방법의 개발이 필요하다.

조직배양은 우량종묘를 생산하는데 절대 필요한 것이지만, 만약 생산비를 낮출수 있으면 이것을 이용하는 재배가의 경영이 좋아질 것이고, 대외경쟁력도 향상된다.

(2) 기술적 측면

① 조직배양에 의한 우량종묘의 생산비를 낮추는 길은 생산의 기계화와 자동화이다.

② 조직배양묘 생산에 기계화 및 자동화를 위해서는 현재의 무균배양시스템을 혁신해야 한다.

지금까지 조직배양은 처음부터 끝까지 작은 유리용기(플라스크나 배양병)내에서 무균적으로 이루어져야 하기 때문에 이 방법으로는 기계화하는데 어려움이 있고, 된다고 해도 부분적으로 밖에는 될 수 없다.

그러므로 이 방향의 계속적인 개발을 위해서는 배양시스템을 근본적으로 바꾸어야 한다.

③ 광독립영양과 배지분무 방식을 이용하면 우량의 종묘생산에 노동력과 경비를 대폭 줄일 수 있다.

나. 발명의 이론적 배경

장치 제작에 이용되는 이론적 배경은

첫째, 광독립영양적인 배양과 둘째, 액체배지의 단속적인 공급이다.

일반적인 조직배양에서는 배양체가 필요한 탄수화물이 배지를 통하여 공급되지만 여기서는 배양체가 스스로 광합성을 하여 이용한다. 이렇게 하기 위해서는 우선배양체가 엽녹소를 가지고 있어야 하며, 외부에서 충분한 광(光)과 CO₂를 공급해주어야 한다.

배양조직에서 엽록소는 강한 광조건하에서 형성될 수 있으므로 용기내에 외부공기를 주입하든지, 순수한 탄산가스를 공급함으로서 자연상태와 거의 비슷한, 또는 더욱 좋은 조건이 형성되어 배양체의 성장이 빨라진다.

이것은 일종의 수경재배(水耕栽培)와 같은 방식이 되지만, 크게 다른 점은 첫째, CO₂농도를 높혀서 광합성효율을 높히는 것이고, 둘째는 액체배지의 공급이 식물체 전체에 미치므로 배양효과가 높다. 여기서 부수적으로 얻어지는 큰 효과는 배지에 당분이 들어가지 않으므로 무균배양방식과는 달리 미생물의 오염을 염려할 필요가 없으며, 따라서 작업이 편리하고 신속하게 이루어질 수 있다는 점이다.

다음은 이 방식의 효과와 참고문헌에 나타난 실험결과를 요약하여 소개한다.

1) 기내에서 성장이 빠르다.

① 광선과 CO₂의 농도가 높은 조건에서 기내번식된 식물은 보통의 무균배양된 것에 비하여 생체중이 2.4배 증가하고, 건물중은 3.1배, 입수는 1.7배 높았다(Hayashi와 그의 동료, 1990).

② 양배추의 묘와 미세번식된 소식물체의 성장과 발달은 높은 광도하에서 공기순환이 많이 이루어진 곳에서 잘 되었다(Kozai와 동료, 1991).

③ Cournac과 동료(1991)는 광독립영양배양의 효과를 증명하기 위해서 감자의 단일마디 배양에 당분이 들어간 보통의 밀봉된 배양을 포함하여 5가지 처리를 비교한 결과 가장 발달이 잘 되고, 기외에서도 빨리 성장하는 것은 CO2가 풍부한 공기를 공급하고 당분을 넣지 않은 것(광독립영양, photoautotroph)으로서, 포장에서 자란 것과 대등한 성장을 보였고, 다음은 위와 같은 공기에 당분이 첨가된 배지(광혼합영양, Photomixotroph)에 배양된 것이었다.

2) 순화가 잘 된다.

① Tsoglin et al. (1991)은 감자절편이 심겨진 시험관을 빛의 강도가 85W/㎡이고 CO₂농도가 2%인 곳에 두었을 때 재생된 감자의 건물중이 CO₂를 높히지 않은 대조에 비하여 4.3배나 높았으며, 기외로 옮긴 후 생존률이 대조는 67%인데 비하여 광독립영양은 98%였다. 한편 이것이 수경재배에서는 100%로 더 높았지만 생육속도는 광독립영양보다 2-3주 늦었다.

② Laforge와 동료(1991)는 기내 발근배양기간에 빛과 CO₂가 높으면 엽면적이 넓고 엽병이 짧으며 갈변이 적어서 온실에 이식후 성장이 빠르다고 하였다. 만약 강한 광도를 내는데 사용되는 전기량이 너무 많으면 생육후기에만 광독립영양으로 배양할 것을 권하였다.

3) 높은 CO₂농도와 낮은 상대습도는 경화를 촉진시킨다.

Deng과 Donneley(1993a, 1993b)는 나무딸기(Rubus idaeus) 배양묘의 발근을 위해서 배양실의 CO₂함량을 주변의 300ppm보다 높은 1500ppm으로 하였을 때 경화를 증가시키고 뿌리의 수와 길이 및 소식물체의 생중이 증가하였는데, 경화의 효과는 배양실의 상대습도를 90%로 낮게 하였을 때 더 크게 나타났다. 이렇게 키운 묘는 기외에서 미스트처리 없이 바로 온실재배에 들어간다. 배양실 내의 습도조절은 배양후기의 발근기에 단속적인 배지공급과 공기순환으로 가능하다.

4) 오염을 제거하고 생장을 촉진시킨다.

Parfitt과 Almehdi(1994)는 피스타치오를 미세번식하면서 배양의 오염이 문제가 되었으나 160mmol/㎡/s 빛과 2%의 CO₂가 함유된 산소를 공급한 광독립영양배양에서는 오염이 배제된 것은 물론, 당분이 첨가된 타급영양조건에서 보다 줄기의 성장과, 이식후 뿌리의 생존 및 순화가 향상되었다.

(2) 액체배양과 배지의 단속적인 공급 효과

액체배지는 세포현탁배양에 많이 이용되고, 조직에서는 초기에 분화를 촉진시키기 위해서 액체진탕배양을 하지만 싹이 나오면 고체배지로 옮겨주어야 한다. 이 과정에서 많은 노동력이 필요할 뿐만 아니라, 옮길 때는 장해를 받으므로, 이것보다는 한번 치상된 조직은 재생체가 기외로 이식될 때까지 그곳에서 자라게 하는 것이 바람직하다. 이것은 조직을 정치(定置)하고 배지만 순환시키는 배양장치에서 할 수 있다.

이 장치에서는 조직의 요구에 따라 배지성분을 바꾸거나 공급을 정지할 수도 있다. 배지의 형태는 물론 액체이지만 조직이 배지에 항상 잠겨 있어도 해로우므로 분무를 하여 주고 조직은 항상 공기중에 노출시킨다. 이렇게하면 배지와 공기의 공급이 모두 충분히 이루어질 수 있다.

1) 조직을 공기중에 잠시 노출시키는 것이 좋다.

① Akita와 Takayama(1994)는 감자 소괴경생산에 생물반응기를 이용하면서 배양체가 계속 배양액에 잠겨있는 것보다 6시간마다 1시간씩 공기중에 노출시켰을 때 수량이 더 많은 것을 발견하였다.

② Teisson과 Alvard(1995)는 일시적으로 배양액에 잠기는 방식을 고안하여 커피나무, 고무나무 및 바나나의 조직으로부터 체세포배를 형성시켰다.

(3) 분무배양의 효과

이 방식은 본 연구가 시도하는 일부분으로, 조직이 액체에 계속 잠기거나, 잠시 노출되는 것보다 공기와 접촉시킬 수 있는 최선의 방법으로 생각한다. 이에 관하여는 이미 몇가지 연구결과가 발표되었다(10-13). 이들은 인용문헌 9번의 것과 흡사한 원리를 이용한 것으로 여기서 설계하는 광독립 영양적인 장치는 아니다.

다. 발명의 구성 및 기능

본 발명을 제1도에서 보면 중요한 부분은 배양체(5)가 성장하는데 필요한 빛, 탄산가스 그리고 무기영양물질을 공급하는 데 필요한 전등(1), 탄산가스통(3) 및 배지통(7)과 이들의 주변기기들이다. 배양되는 물체는 식물의 조직에서부터 완전한 형태를 갖춘 식물체에 이르기까지 다양하므로 이들은 스텐망(4)위에 놓이게 되고, 전등에서 나오는 빛과 탄산가스는 광합성작용으로 탄수화물을 만드는데 필요하다. 배지에는 무기양분만 들어있고 이것은 모타펌프(15)의 힘으로 노즐(2)에서 분사되어 배양체 위에 떨어진다. 배양체가 조직이나 연약한 식물체이면 안개에 가까운 상태로 분무되게 하고, 성장한 것일수록 굵게 떨어지도록 노즐을 교체해준다.

조절판(8)은 배양실 밖에서 배양실 내의 습도, 온도 탄산까스 농도, 일장, 광도 및 배지의 산도와 공급시간등의 모든 조절을 한다. 배양실의 과도한 환경 요인이 발생하였을 때에는 배기구를 통하여 조절된다.

제2도는 본 발명을 캐비닛형으로 구성하였을 때 배양실의 내부 단면도와 문의 안쪽면(16)이다 장치의 밑부분은 탄산가스통(3), 배지통(7), 배지송출용 모타펌프(15), 냉각기(9) 및 가온기(10)가 놓이고 그 윗부분에는 위에서 떨어지는 배지를 받는 배지수집반(6)이 전면에 깔린다. 여기에 모아진 배지는 다시 배지통으로 흘러들어간다. 배지수집반의 위에는 약간의 공간을 두고 배양체가 놓이는 망상의 시렁(rack)(4)이 설차된다. 이것은 필요에 따라 여러 층으로 놓을 수 있다.

배양실 내부의 문을 포함한 좌우측면에는 형광등(1)이 달려 있다. 여기서 나는 열이 지나치게 높으면 냉각기(9)에 의해서 소거된다. 제3도는 캐비닛형의 배양실내에서 배지를 뿌려주는 분무노즐(2)의 위치를 나타낸다. 배지는 배지통(7)으로부터 관이나 호스(17)를 통하여 배지송출모타(15)의 힘으로 공급된다.

라. 발명의 효과

종묘생산에 있어서 현재의 기내 무균배양방법을 개선한 방법으로서

○ 종묘생산을 위한 배양에 기계화가 가능하다.

○ 생산용기의 용량을 무한대로 늘릴 수 있으므로 대량생산이 가능하다.

○ 기내배양에서 나타나는 미생물에 의한 오염문제를 전혀 염려할 필요가 없으므로 작업도 매우 간편하고,

○ 기외에서 순화과정을 거치지 않으므로 생산비가 현재의 수십배로 낮아진다.

Claims

식물의 세포, 조직, 종자 및 완전한 식물체로부터 이들을 배양, 발아 및 번식시키는 실내와 실외에 설치한 벤츠형, 룸형, 캐비닛형 및 상자형 등의 배양장치에 있어서, 영양공급면에서 배양체의 광독립영양과 배지분무방식을 결합한 장치로서, 배양실내에는 배양체(5)에 빛을 공급하는 조명들(1)이 설치되고 탄산가스공급관(3)이 있으며, 배양실 상부와 측면에는 배지를 분무하는 분무노즐(2)이 있고, 배양실 기부에는 떨어진 배지가 모이는 배지수집반(6)이 있으며, 이곳의 배지는 배양실 밖의 배지통(7)으로 다시 들어가서 모타펌프(15)의 힘으로 순환되는 것을 특징으로 하는 광독립영양과 배지분무방식을 이용한 종묘배양장치.