KR100476847B1 - Method of bioreactor culture of adventitious roots - Google Patents
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Abstract
본 발명은 생물반응기(bioreactor)를 이용한 부정근(不定根)의 배양방법에 관한 것으로, 모식물체를 살균 및 접종하여 캘러스를 유도 및 증식시키고; 캘러스로부터 부정근을 유도 및 증식시키고; 그리고 부정근을 생물반응기 내에서 배양하여 부정근을 수확하는 부정근의 배양방법에 있어서, 상기 생물반응기 내에, (1) 산소 농도 25∼100%의 기체를 공급하는 단계; (2) 이산화탄소 농도 0.5∼20%의 기체를 공급하는 단계; 및 (3) 에틸렌 농도 5∼100 ppm의 기체를 공급하는 단계 중에서 선택되는 하나 이상의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 본 발명의 방법에 따르면, 생물반응기를 이용하여 인삼, 산삼 또는 장뇌삼의 부정근 배양시 산소, 이산화탄소, 및/또는 에틸렌 기체를 적절한 농도로 일정 기간 동안 공급함으로써 기존 배양 공정 보다 훨씬 높은 생산량을 얻을 수 있으며, 이는 앞으로의 식물 조직배양 전략으로서도 그 이용가치가 있을 것으로 생각된다.The present invention relates to a method for culturing irregular roots using a bioreactor, which sterilizes and inoculates seed plants to induce and proliferate callus; Inducing and propagating adventitious roots from callus; And culturing the root muscle to harvest the root muscle by culturing in the bioreactor, the method comprising: (1) supplying a gas having an oxygen concentration of 25 to 100% in the bioreactor; (2) supplying a gas having a carbon dioxide concentration of 0.5 to 20%; And (3) at least one step selected from the step of supplying a gas having an ethylene concentration of 5 to 100 ppm, when culturing ginseng, wild ginseng, or camphor ginseng using a bioreactor. By supplying oxygen, carbon dioxide, and / or ethylene gas at appropriate concentrations for a period of time, much higher yields can be obtained than with conventional culture processes, which is considered to be of value as a future plant tissue culture strategy.
Description
본 발명은 생물반응기(bioreactor)를 이용한 부정근(不定根)의 배양방법에 관한 것으로, 생물반응기 내로 공급되는 가스(O2, CO2, C2H4) 조성을 인위적으로 조절하여 부정근의 생산성을 올리고 대사산물 함량을 높인 인삼(Panax ginseng C.A. Meyer), 산삼 및 장뇌삼의 부정근 배양방법에 관련된다.The present invention relates to a method of culturing irregular roots using a bioreactor, which artificially regulates the composition of gas (O 2 , CO 2 , C 2 H 4 ) supplied into the bioreactor to increase the productivity of the root muscles and metabolize them. It is related to the method of culturing the roots of ginseng ( Panax ginseng CA Meyer), wild ginseng and camphor ginseng with increased product content.
인삼, 산삼 및 장뇌삼 등을 A. rhizogenes로 형질전환시킨 모상근과 식물 조직으로부터 유도된 캘러스(callus) 및 부정근 배양에 관해서는 전문 학회지에 많은 보고가 이루어지고 있다. 이러한 보고자료의 대부분은 모상근 및 세포 증식에 미치는 물리적·화학적 요인 분석에 관한 것이고, 최근에 와서는 인삼 부정근 배양에 관한 실험 결과들이 많이 발표되고 있다. 특히 생물반응기를 이용한 부정근의 배양은 연중 대량생산이 가능하며 안정적인 이차 대사산물의 생산까지 가능하다는 큰 장점이 있다(Yu. K.W., E.J. Hahn, and K.Y. Paek. 2000. Production of ginseng adventitious roots using bioreactors. Korean J. Plant Tiss. Cult. 27: 309-315.)Many reports have been reported in specialized journals on callus and intestinal root cultures derived from hairy roots and plant tissues in which ginseng, wild ginseng and camphor ginseng were transformed with A. rhizogenes . Most of these reports are related to the analysis of physical and chemical factors affecting hairy root and cell proliferation. Recently, many experimental results on ginseng root muscle cultivation have been published. In particular, cultivation of root muscle using a bioreactor has a big advantage that it can be mass-produced throughout the year and to produce stable secondary metabolites (Yu. KW, EJ Hahn, and KY Paek. 2000. Production of ginseng adventitious roots using bioreactors. Korean J. Plant Tiss. Cult. 27: 309-315.)
생물반응기를 이용한 부정근 배양시, 종전까지 생물반응기 내로 공급되는 공기는 일반 대기 중의 공기 조성과 동일한 것으로 질소 78%, 산소 20.8%, 아르곤 0.9%, 이산화탄소 0.03%, 네온, 헬륨 등으로 구성되어 있으며, 이러한 공기 조성에 의한 부정근의 생산성(생체중)은 일반적으로 배양기 용적의 10∼15%에 해당한다.In case of arrhythmia cultivation using a bioreactor, the air supplied to the bioreactor until now is the same as the air composition in the general atmosphere, and is composed of 78% nitrogen, 20.8% oxygen, 0.9% argon, 0.03% carbon dioxide, neon, helium, etc. The productivity (live weight) of the root muscle by this air composition generally corresponds to 10-15% of the incubator volume.
본 발명은 생물반응기(bioreactor)를 이용한 인삼, 산삼 또는 장뇌삼의 부정근 배양시, 생물반응기 내로 공급되는 공기의 조성을 인위적으로 조절함으로써 부정근의 생산성을 올리며 대사산물 함량을 높이도록 한 부정근의 배양방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.The present invention provides a cultivation method of the root muscles to increase the productivity of the root muscles and increase the metabolite content by artificially controlling the composition of air supplied into the bioreactors when culturing ginseng, wild ginseng or camphor ginseng using a bioreactor The purpose is to do that.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부정근의 배양방법은,Culture method of the root of the present invention for achieving the above object,
모식물체를 살균 및 접종하여 캘러스를 유도 및 증식시키고;Sterilizing and inoculating the parent plants to induce and proliferate callus;
캘러스로부터 부정근을 유도 및 증식시키고; 그리고Inducing and propagating adventitious roots from callus; And
부정근을 생물반응기 내에서 배양하여 부정근을 수확하는 부정근의 배양방법에 있어서,In the method of cultivating the root of the root muscle to harvest the root of the root muscle by culturing in the bioreactor,
상기 생물반응기 내에,In the bioreactor,
(1) 산소 농도 25∼100%의 기체를 공급하는 단계;(1) supplying a gas having an oxygen concentration of 25-100%;
(2) 이산화탄소 농도 0.5∼20%의 기체를 공급하는 단계; 및(2) supplying a gas having a carbon dioxide concentration of 0.5 to 20%; And
(3) 에틸렌 농도 5∼100 ppm의 기체를 공급하는 단계 중에서 선택되는 하나 이상의 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.(3) at least one step selected from the step of supplying a gas having an ethylene concentration of 5 to 100 ppm.
여기에서, 모식물체는 인삼, 산삼 및 장뇌삼의 적어도 하나일 수 있으며, 식물체의 배양 형태는 부정근과 모상근, 세포를 포함한다.Here, the parent plant may be at least one of ginseng, wild ginseng, and camphor ginseng, and the culture form of the plant includes the root and hair root, the cell.
본 발명은 생물반응기(bioreactor)를 이용하여 인삼(Panax ginseng C.A. Meyer), 산삼 또는 장뇌삼의 부정근을 배양할 때 생물반응기 내로 공급되는 기체 (O2, CO2, C2H4) 성분이 부정근의 생장과 대사산물(polysaccharide and ginsenoside content) 생성에 미치는 영향에 대해 조사하고, 생물반응기 내로 공급되는 기체의 조성을 인위적으로 조절함으로써 부정근의 생산성을 올리며 대사산물 함량을 높이고자 한 것이다.The present invention is a gas (O 2 , CO 2 , C 2 H 4 ) component supplied to the bioreactor when incubating the root of ginseng ( Panax ginseng CA Meyer), wild ginseng or camphor ginseng using a bioreactor The purpose of this study is to investigate the effects on the growth and production of polysaccharides and metabolites, and to increase the metabolites content by increasing the productivity of the root muscle by artificially adjusting the composition of the gas supplied into the bioreactor.
본 발명에 따라, 부정근 배양시 생물반응기 내로 산소, 이산화탄소 및 에틸렌 가스를 공급하는 것이 식물체의 생장에 미치는 영향은 다음과 같은 것으로 추측된다.According to the present invention, the effect of the supply of oxygen, carbon dioxide and ethylene gas into the bioreactor in the root muscle culture is estimated to be as follows.
1. 부정근 배양시 산소 공급의 효과1. Effect of Oxygen Supply on Abdominal Muscle Culture
일반적으로 식물의 호흡기질이 포도당일 경우 산소는 식물 세포의 호흡을 촉진시켜 더 많은 에너지를 만들어 내고 그 결과 식물의 생장량이 증가하게 된다.In general, when the plant's respiratory substrate is glucose, oxygen stimulates the respiration of plant cells, producing more energy, resulting in increased plant growth.
C2H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 에너지C 2 H 12 O 6 + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O + energy
2. 부정근 배양시 이산화탄소 공급의 효과2. Effect of Carbon Dioxide Supply on Cultured Abdominal Muscle
적절한 양의 이산화탄소는 포스포에놀 피루베이트 카복실라제(phosphoenol pyruvate carboxylase)의 수준을 높여 이산화탄소의 고정을 촉진하고 생장을 증가시키는 것으로 생각된다. 한편, 이산화탄소는 크렙스 사이클의 작용을 향상시켜 식물세포의 생장을 촉진시킨다고 추측된다(Schnabl and Mayer, 1976, Planta. 131: 51-55). 이밖에도 다양한 식물세포 및 조직배양에서 생장을 향상시켰다는 보고가 있다(Schlatmanm et al., 1994, Plant Cell Rep. 14: 157-160; Mirjalili and Linden, 1995, Biotechnol. Bioeng. 48: 173-187; 및 Zhong et al., 2000, Enzyme Microb. Tech. 27: 714-723).Appropriate amounts of carbon dioxide are thought to increase the level of phosphoenol pyruvate carboxylase to promote carbon dioxide fixation and increase growth. Carbon dioxide, on the other hand, is thought to promote plant cell growth by enhancing the action of the Krebs cycle (Schnabl and Mayer, 1976, Planta. 131: 51-55). In addition, there have been reports of improved growth in various plant cells and tissue cultures (Schlatmanm et al. , 1994, Plant Cell Rep. 14: 157-160; Mirjalili and Linden, 1995, Biotechnol. Bioeng. 48: 173-187; and Zhong et al ., 2000, Enzyme Microb.Tech. 27: 714-723).
3. 부정근 배양시 에틸렌 공급의 효과3. Effect of Ethylene Supply on Abdominal Muscle Culture
본 실험 결과, 인삼, 산삼 또는 장뇌삼의 부정근이 배지 내에 있는 포도당과 과당을 흡수할 때 에틸렌이 이들의 흡수를 촉진시켜 준다. 그 결과 식물체는 많은 양의 당을 이용하게 되며 생장량이 증가하게 된다.As a result of this experiment, when ginseng, wild ginseng or camphor ginseng roots absorb glucose and fructose in the medium, ethylene promotes their absorption. As a result, plants use a large amount of sugar and their growth increases.
본 발명에 따른 생물반응기를 이용한 부정근의 생산 공정은 다음 단계로 이루어진다:The production process of the root muscle using the bioreactor according to the present invention consists of the following steps:
(1) 모식물체를 선정하여 살균 및 접종하는 단계;(1) selecting and sterilizing and inoculating the mother plant;
(2) 캘러스의 유도 및 증식 단계;(2) induction and propagation of callus;
(3) 부정근의 유도 및 증식 단계;(3) induction and proliferation of the abscess;
(4) 생물반응기 내 배양 단계;(4) culturing in the bioreactor;
(5) 배양기간 동안 적합한 양의 가스를 적절한 시기에 공급하는 단계;(5) supplying an appropriate amount of gas at an appropriate time during the incubation period;
(6) 산삼 부정근의 수확 및 성분 분석 단계.(6) Harvest and composition analysis of wild ginseng roots.
도 1은 생물반응기와 가스를 이용한 부정근 생산에 대한 공정도이다.1 is a process chart for the production of root muscle using bioreactors and gases.
이하에서는, 이들 각 단계의 생산 공정을 구체적으로 설명한다.Below, the production process of each of these steps is demonstrated concretely.
(1) 모식물체를 선정하여 살균 및 접종(1) Sterilization and inoculation by selecting a model plant
모식물체로 인삼, 산삼, 또는 장뇌삼을 선정하여 뿌리 절편(2∼3 ㎟)을 살균한 후 생장조절제로 IBA(indole butyric acid), NAA(1-naphthaleneacetic acid), 2,4-D((2,4-dichlorophenoxy)acetic acid) 등이 첨가된 MS(Murashige-Skoog), SH(Schenk and Hildebrandt), B5(Gamborg), White 배지 등에 접종한다.Ginseng, wild ginseng, or camphor ginseng was selected as a plant to sterilize root slices (2-3 mm2), and as growth regulators, IBA (indole butyric acid), NAA (1-naphthaleneacetic acid), 2,4-D ((2 Inoculate with MS (Murashige-Skoog), SH (Schenk and Hildebrandt), B5 (Gamborg), White medium with, 4-dichlorophenoxy) acetic acid).
(2) 캘러스의 유도 및 증식(2) induction and proliferation of callus
모식물체를 접종한 후 암 상태에서 3∼4 주 동안 배양하여 뿌리 절편에서 캘러스가 유도되도록 한다. 이렇게 유도된 캘러스를 최적 조건의 캘러스 배양용 배지, 즉 1 ㎎/ℓ 2,4-D가 첨가된 MS 배지에서 2∼4 주 간격으로 계대 배양하면서 증식시킨다.After inoculation of the seedlings, it is incubated for 3 to 4 weeks in a cancerous state to induce callus in the root section. The callus thus induced is propagated by subcultured at intervals of 2 to 4 weeks in an optimal callus culture medium, that is, MS medium to which 1 mg / L 2,4-D is added.
(3) 부정근의 유도 및 증식(3) induction and proliferation of abscess muscle
다량 증식된 캘러스를 IBA나 NAA가 첨가된 MS, SH, B5 배지에 옮겨 약 1 개월간 배양하여 부정근이 유도되도록 한다.The multiplied callus is transferred to MS, SH, B5 medium supplemented with IBA or NAA, and cultured for about 1 month to induce the root muscle.
(4) 생물반응기 내 배양(4) cultivation in a bioreactor
유도된 부정근 중에서 생육이 우수한 개체를 선발하여 생물반응기로 옮겨 배양을 실시한다. 부정근의 생장이 양호한 배지는 수소이온 농도(pH)가 5.5∼6.0 범위이고, 당 농도가 3∼5% 범위에 있는 것이다. 생물반응기 내로 공급되는 공기의 세기는 0.1 vvm 으로 조절하여 30∼50 일간 배양을 실시한다.Among the induced root muscles, individuals with good growth are selected and transferred to a bioreactor for cultivation. The medium in which the growth of the negative root is good has a hydrogen ion concentration (pH) of 5.5 to 6.0 and a sugar concentration of 3 to 5%. The strength of the air supplied into the bioreactor is adjusted to 0.1 vvm and cultured for 30 to 50 days.
(5) 배양기간 동안 적합한 양의 가스 공급(5) supplying a suitable amount of gas during the incubation period
부정근의 생장과 대사산물의 함량에 가장 효과적인 가스 농도를 알아보기 위한 다양한 실험을 실시하여 최적 가스 농도를 선정하고, 이에 따라 부정근 배양 시 가스를 공급하여 준다. 생물반응기로 유입되는 각각의 가스의 농도는 가스 크로마토그래피(HP 6890, Hewlett Packard, USA)를 통하여 분석할 수 있다.Various experiments are conducted to determine the most effective gas concentration for growth and metabolite content of the root canal, and the optimal gas concentration is selected. The concentration of each gas entering the bioreactor can be analyzed via gas chromatography (HP 6890, Hewlett Packard, USA).
(6) 부정근의 수확 및 성분 분석(6) Harvest and composition analysis of the root muscle
a. 부정근의 수확: 인삼, 산삼 또는 장뇌삼의 부정근을 생물반응기 내에서 30∼50 일 동안 배양한 후 부정근을 수확한다. 부정근의 건물중은 60 ℃로 조절한 건조기(FO-600M, Jeio Tech Co., Korea)에서 수분을 완전히 제거한 후 함량을 측정한다.a. Harvesting the roots of negative roots: The roots of ginseng, wild ginseng or camphor ginseng are cultured in a bioreactor for 30 to 50 days before harvesting the roots of negative roots. In the dry roots of the roots, the moisture is measured after completely removing moisture from the dryer (FO-600M, Jeio Tech Co., Korea) adjusted to 60 ℃.
b. 사포닌 분석: 사포닌의 추출과 결정은 후루야 등(Yoshikaya and Furuya, 1987, Plant Cell Rep. 6: 449-453)과 윌리암즈 등(William A. et al., 1996, J. Chromato. 775: 11-17)의 방법에 따라 실시한다. 즉, 건조된 부정근 1 g을 50 ㎖의 80% 에탄올에서 1 시간씩 2 회 환류 추출하고, 추출물을 여과지 (Advantec, Toyo, Japan)로 여과하여 고형분과 분리한다. 에탄올 추출물을 10 ㎖까지 농축하고 50 ㎖의 증류수에 다시 용해시킨 후, 수층을 같은 용적의 에테르로 2 회 수세하고 물 포화 부탄올로 3 회 추출한다. 이 추출물을 20 ㎖의 물로 2 회 세척한 후 감압농축기로 건조하고, 5 ㎖의 메탄올에 용해하여 0.45 ㎛ PTEF(Gelman, USA) 필터로 여과한다. 사포닌 함량은 Altec Platinum C18이나 Noba-Pak C18 컬럼(300 A, 5 ㎛)을 사용하여 물과 아세토나이트릴을 이용한 HPLC 시스템(Waters 2690 separation module; Waters 996 photodiode array detector; Waters millenium 2010 chromatography manager)으로 분석한다. 즉, 물(A)과 아세토나이트릴(B)의 밀도 구배로 초기 18%(B)로 시작하여, 0∼15 분 동안에 18∼23%(B), 15∼18 분에 23∼31%(B), 18∼33분에 31∼34%(B), 그리고 이후 7 분 동안 아세토나이트릴의 비율을 높여 칼럼 세척을 한 후 연속적으로 분석한다. 이동상의 유속은 0.6∼1.0 ㎖/분, 크로마토그램은 203 ㎚에서 얻는다. 표준물질은 Wako(Japan) 제품을 사용하였으며 사포닌 함량은 각 성분피크의 함량을 더해서 나타내었다.b. Saponin Analysis: Extraction and crystallization of saponins were carried out by Yoshikaya and Furuya, 1987, Plant Cell Rep. 6: 449-453 and Williams A. et al. , 1996, J. Chromato. 775: 11-. It is carried out according to the method of 17). That is, 1 g of dried sarcophagus is refluxed twice in 50 ml of 80% ethanol for 1 hour, and the extract is filtered through filter paper (Advantec, Toyo, Japan) and separated from the solids. The ethanol extract is concentrated to 10 ml and dissolved in 50 ml of distilled water again, the aqueous layer is washed twice with the same volume of ether and extracted three times with water saturated butanol. The extract was washed twice with 20 ml of water, dried over a vacuum condenser, dissolved in 5 ml of methanol and filtered through a 0.45 μm PTEF (Gelman, USA) filter. Saponin content was measured using an Altec Platinum C18 or Noba-Pak C18 column (300 A, 5 μm) using HPLC with water and acetonitrile (Waters 2690 separation module; Waters 996 photodiode array detector; Waters millenium 2010 chromatography manager). Analyze In other words, the density gradient of water (A) and acetonitrile (B) starts at 18% (B) at the beginning, 18 to 23% (B) for 0 to 15 minutes, and 23 to 31% (for 15 to 18 minutes). B), 31-34% (B) at 18-33 minutes, and then increase the acetonitrile ratio for 7 minutes, then perform column washing and analyze continuously. The flow rate of the mobile phase is 0.6-1.0 ml / min, and the chromatogram is obtained at 203 nm. Wako (Japan) was used as the standard material and the saponin content was shown by adding the content of each component peak.
c. 다당체 분석: 건조된 부정근 0.2 g에 5% (v/v) 황산(H2SO4) 5 ㎖를 첨가하여 현탁시킨다. 이 현탁액을 수조에서 4 시간 동안 끓여 산 가수분해시킨 후 원심분리하여 0.2 ㎖의 여액을 취하고, 여기에 진한 황산 6 ㎖를 첨가하여 20 분간 수조에서 끓인다. 이후 냉각시켜 카바졸-무수에탄올(carbazole-absolute ethanol; 0∼15 %, v/v) 용액 0.2 ㎖를 첨가하고, 암 상태에서 2 시간 동안 발색시킨 후 분광광도계 530 ㎚에서 흡광도를 측정한 후 D-갈락투론산을 표준물질로 하여 함량을 구한다.c. Polysaccharide Analysis: Suspend 0.2 g of dried sarcophagus by adding 5 ml of 5% (v / v) sulfuric acid (H 2 SO 4 ). The suspension is boiled in a water bath for 4 hours, acid hydrolyzed and centrifuged to give 0.2 mL of the filtrate, which is added to 6 mL of concentrated sulfuric acid and boiled in a water bath for 20 minutes. After cooling, 0.2 ml of a solution of carbazole-absolute ethanol (0-15%, v / v) was added, followed by color development in the dark for 2 hours, and then the absorbance was measured at 530 nm with a spectrophotometer. Obtain the content using galacturonic acid as a standard.
이하, 실시예를 통하여 본 발명의 특징적인 구성을 구체적으로 설명하고자 한다. 단, 이들 실시예는 본 발명의 예시일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, specific features of the present invention will be described in detail with reference to the following examples. However, these Examples are only illustrative of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these.
실시예Example
산삼 뿌리 절편(2∼3 ㎟)을 70% 에탄올에 약 30 초간 침지한 후 2% 하이포염소산나트륨(sodium hypochlorite)에 약 25 분간 진탕하면서 소독하고 멸균수로 3 회 이상 세척하여 살균한 후, 생장조절제로 1 ㎎/ℓ 2,4-D가 첨가된 MS 배지에 접종하여 암 상태에서 3∼4 주 동안 배양하여 캘러스를 유도하고, 이를 동일한 배지에서 2∼4 주 간격으로 계대 배양하였다.The wild ginseng root slices (2-3 mm2) were soaked in 70% ethanol for about 30 seconds, then sterilized with 2% sodium hypochlorite for about 25 minutes, sterilized by washing three times or more with sterile water, and then grown. Inoculation was carried out in MS medium to which 1 mg / L 2,4-D was added as a modulator and incubated for 3 to 4 weeks in a cancer state to induce callus, which was passaged at intervals of 2 to 4 weeks in the same medium.
다량 증식된 캘러스를 5 ㎎/ℓ IBA 또는 2 ㎎/ℓ NAA가 첨가된 MS 배지에 옮겨 약 1 개월간 배양하여 부정근을 유도하고, 유도된 부정근 중에서 생육이 우수한 개체를 선발하여 생물반응기로 옮겨 배양을 실시하였다. 배지의 pH는 5.5∼6.0, 당 농도는 3∼5%, 그리고 생물반응기 내로 공급되는 공기의 세기는 0.1 vvm으로 조절하여 30∼50 일간 배양하였다.The multiplied callus was transferred to MS medium to which 5 mg / l IBA or 2 mg / l NAA was added and incubated for about 1 month to induce root muscles. Was carried out. The pH of the medium was 5.5-6.0, the sugar concentration was 3-5%, and the strength of air supplied into the bioreactor was adjusted to 0.1 vvm for 30 to 50 days.
다음과 같이 생물반응기 내로 여러 종류의 기체를 여러 기간 동안 공급하면서 부정근을 배양한 후 부정근을 수확하였다. 부정근의 건물중을 측정하고, 사포닌과 다당체를 위의 방법에 따라 분석하였다.As shown below, the roots were harvested after incubating the root muscles while supplying various kinds of gases into the bioreactor for several periods as follows. Dry matter weight of the root muscle was measured, and saponin and polysaccharide were analyzed according to the above method.
1. 산삼 부정근 배양시 산소 공급의 효과 1. Effect of Oxygen Supply on Wild Ginseng Root Culture
생물반응기를 이용한 산삼(인삼, 장뇌삼) 부정근 배양에 있어 일반적으로 사용되는 공기는 대기 조성과 동일한데, 일반 대기 중에는 산소가 20.8%를 차지하고 있다. 이러한 대기조성과 동일한 공기(산소 20.8%)를 5 ℓ 생물반응기에 공급하여 산삼 부정근을 50 일 동안 배양한 결과 건물 45.55 g을 얻었다.In the culture of wild ginseng (ginseng, camphor ginseng) root muscle using a bioreactor, the air is generally the same as the air composition, but oxygen takes up 20.8% in the general atmosphere. The same air composition (20.8% oxygen) was supplied to a 5 L bioreactor to incubate wild ginseng roots for 50 days to obtain 45.55 g of dry matter.
한편, 산소 농도를 30% 또는 40%로 조절하여 배양 50 일 동안 연속적으로 공급하면서 산삼 부정근을 배양한 후 생장량과 대사산물을 분석하였다.On the other hand, by adjusting the oxygen concentration to 30% or 40% and cultured wild ginseng roots while continuously feeding for 50 days, the growth and metabolites were analyzed.
도 2는 배양 전 기간 동안의 산소 공급에 따른 산삼 부정근의 생장과 대사산물의 함량 변화를 나타낸 그래프로, 도 2a는 생장량, 도 2b는 사포닌 함량, 그리고 도 2c는 다당체 함량을 나타낸다. 여기에서 보듯이, 산소 농도를 30% 또는 40%로 조절하여 배양 50 일 동안 연속적으로 공급하였을 경우에는 각각 48.85 g과 52.11 g의 건물중을 얻을 수 있었다. 또한, 산소를 첨가하여 공급할 경우에는 사포닌과 다당체 함량도 증가됨을 알 수 있었다.Figure 2 is a graph showing the growth and metabolite content change of wild ginseng root muscle with oxygen supply during the pre-culture period, Figure 2a shows the growth amount, Figure 2b saponin content, and Figure 2c shows the polysaccharide content. As shown here, 48.85 g and 52.11 g of dry weight were obtained when the oxygen concentration was adjusted to 30% or 40% and continuously fed for 50 days of culture. In addition, it was found that the saponin and polysaccharide content also increased when oxygen was added.
이어서, 산소 공급의 효율성과 경제성을 조사하기 위해 특정 기간 동안에만 산소 40%를 공급하는 다양한 실험을 수행하였다.Subsequently, various experiments were conducted in which 40% oxygen was supplied only during a specific period to investigate the efficiency and economics of oxygen supply.
도 3은 배양 특정 기간 동안의 산소 공급에 따른 산삼 부정근의 생장과 대사산물의 함량 변화를 나타낸 그래프로, 도 3a는 생장량, 도 3b는 사포닌 함량, 그리고 도 3c는 다당체 함량을 나타낸다. 여기에서 보듯이, 산소를 배양 전 기간 0∼50일 동안 계속해서 공급해주는 것보다 배양 10∼50 일 동안 공급하였을 때 가장 높은 생장량 56.53 g을 얻을 수 있었다.Figure 3 is a graph showing the growth and metabolite content change of wild ginseng root muscle with oxygen supply during a specific period of culture, Figure 3a shows the growth, Figure 3b saponin content, and Figure 3c shows the polysaccharide content. As shown here, 56.53 g of the highest growth was obtained when 10 to 50 days of incubation was obtained, rather than continuing to supply oxygen for 0 to 50 days before the incubation period.
2. 산삼 부정근 배양시 이산화탄소 공급의 효과 2. Effect of CO2 Supply on Cultured Wild Ginseng Roots
일반 대기 중에 이산화탄소는 0.03%를 차지하고 있으며 대기조성과 동일한 공기 5 ℓ를 생물반응기에 공급하여 산삼 부정근을 배양하였을 경우, 배양 50 일 후 건물 43.32 g을 얻었다.In the general atmosphere, carbon dioxide occupies 0.03%, and 5 l of air, which is the same as the atmospheric composition, was supplied to the bioreactor to cultivate wild ginseng root, and 43.32 g of dry matter was obtained after 50 days of culture.
한편, 이산화탄소 농도를 2.5% 또는 5%로 인위적으로 조절하여 배양 50 일 동안 연속적으로 공급하면서 산삼 부정근을 배양한 후 생장량과 대사산물을 분석하였다.On the other hand, by artificially adjusting the carbon dioxide concentration to 2.5% or 5%, the growth and metabolites were analyzed after culturing wild ginseng roots while continuously feeding for 50 days.
도 4는 배양 전 기간 동안의 이산화탄소 공급에 따른 산삼 부정근의 생장과 대사산물의 함량 변화를 나타낸 그래프로, 도 4a는 생장량, 도 4b는 사포닌 함량, 그리고 도 4c는 다당체 함량을 나타낸다. 여기에서 보듯이, 이산화탄소 농도를 2.5%와 5%로 공급할 경우 각각 51.65 g과 50.1 g의 건물중을 얻을 수 있었다. Figure 4 is a graph showing the growth and metabolite content change of wild ginseng root muscle with carbon dioxide during the pre-incubation period, Figure 4a shows the growth, Figure 4b saponin content, and Figure 4c shows the polysaccharide content. As shown here, supplying carbon dioxide concentrations of 2.5% and 5% yielded 51.65 g and 50.1 g of dry matter, respectively.
이어서, 이산화탄소 공급의 효율성과 경제성을 조사하기 위해 특정 기간 동안에만 이산화탄소 2.5%를 공급하는 다양한 실험을 수행하였다.Subsequently, various experiments were conducted in which 2.5% of carbon dioxide was supplied only during a specific period to investigate the efficiency and economic efficiency of the carbon dioxide supply.
도 5는 배양 특정 기간 동안의 이산화탄소 공급에 따른 산삼 부정근의 생장과 대사산물의 함량 변화를 나타낸 그래프로, 도 5a는 생장량, 도 5b는 사포닌 함량, 그리고 도 5c는 다당체 함량을 나타낸다. 여기에서 보듯이, 이산화탄소를 배양 전 기간 0∼50 일 동안 계속해서 공급해주는 것보다 배양 10∼50 일 동안 공급하였을 때 가장 높은 생장량인 61.76 g을 얻을 수 있었다. Figure 5 is a graph showing the growth and metabolite content of wild ginseng root muscle with carbon dioxide supply during a specific period of culture, Figure 5a shows the growth, Figure 5b saponin content, and Figure 5c shows the polysaccharide content. As shown here, 61.76 g of the highest growth was obtained when 10 to 50 days of incubation was obtained, rather than continuously supplying carbon dioxide for 0 to 50 days before the incubation period.
3. 산삼 부정근 배양시 에틸렌 공급의 효과 3. Effect of Ethylene Supply on Cultured Wild Ginseng Roots
일반 대기 중 에틸렌 함량은 0 ppm으로, 대기조성과 동일한 공기 5 ℓ를 생물반응기에 공급하여 산삼 부정근을 50 일 동안 배양한 결과, 건물 45.47 g을 얻었다.Ethylene content in the general atmosphere was 0 ppm, and 5 g of air having the same composition as that of the atmospheric composition was fed to the bioreactor for incubation of wild ginseng root for 50 days to obtain 45.47 g of dry matter.
한편, 에틸렌 농도를 10 ppm 또는 20 ppm으로 인위적으로 조절하여 배양 50 일 동안 연속적으로 공급하면서 산삼 부정근을 배양한 후 생장량과 대사산물을 분석하였다.On the other hand, ethylene concentration was artificially adjusted to 10 ppm or 20 ppm and cultured wild ginseng roots while continuously feeding for 50 days, and then analyzed for growth and metabolites.
도 6은 배양 전 기간 동안의 에틸렌 공급에 따른 산삼 부정근의 생장과 대사산물의 함량 변화를 나타낸 그래프로, 도 6a는 생장량, 도 6b는 사포닌 함량, 그리고 도 6c는 다당체 함량을 나타낸다. 여기에서 보듯이, 에틸렌 농도를 10 ppm과 20 ppm으로 공급할 경우 각각 57.9 g과 55.17 g의 건물중을 얻을 수 있었다.Figure 6 is a graph showing the growth and metabolite content change of wild ginseng root muscle with ethylene supply during the pre-incubation period, Figure 6a shows the growth amount, Figure 6b saponin content, and Figure 6c polysaccharide content. As shown here, feeding ethylene at 10 ppm and 20 ppm yielded 57.9 g and 55.17 g of dry matter, respectively.
이어서, 에틸렌 공급의 효율성과 경제성을 조사하기 위해 특정 기간 동안에만 에틸렌 10 ppm을 공급하는 다양한 실험을 수행하였다.Subsequently, various experiments were conducted in which 10 ppm of ethylene was supplied only for a specific period of time to investigate the efficiency and economics of the ethylene supply.
도 7은 배양 특정 기간 동안의 에틸렌 공급에 따른 산삼 부정근의 생장과 대사산물의 함량 변화를 나타낸 그래프로, 도 7a는 생장량, 도 7b는 사포닌 함량, 그리고 도 7c는 다당체 함량을 나타낸다. 여기에서 보듯이, 에틸렌을 배양 전 기간 0∼50 일 동안 계속해서 공급해주는 것보다 배양 0∼30 일 동안 공급하였을 때 가장 높은 생장량인 70.94 g을 얻을 수 있었다.Figure 7 is a graph showing the growth and metabolite content of wild ginseng root muscle with ethylene supply during a specific period of culture, Figure 7a shows the growth, Figure 7b saponin content, Figure 7c shows the polysaccharide content. As shown here, 70.94 g of the highest growth was obtained when ethylene was fed for 0-30 days of cultivation, rather than continuously fed for 0-50 days before the cultivation period.
4. 산삼 부정근 배양시 혼합 가스 공급의 효과 4. Effect of Mixed Gas Supply in Cultured Wild Ginseng Roots
본 실험에서는 산소, 이산화탄소 및 에틸렌을 단일 처리하였을 경우, 각각의 가스를 두 가지씩 조합하여 처리하였을 경우, 그리고 세 가지 가스를 조합하여 처리하였을 경우로 나누어 산삼 부정근의 생장에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 이 때, 공급된 가스는 산소 40%, 이산화탄소 2.5%, 그리고 에틸렌 10 ppm이며, 두 가지 이상의 조합 처리 역시 동일한 가스 농도로 구성되었다. 각각의 가스 공급 기간은 총 배양일 50 일 동안 산소와 이산화탄소는 10∼50 일간, 그리고 에틸렌은 0∼30 일간으로 하였다. 즉, 이 실험에서 사용된 가스의 농도와 공급 기간은 앞서 시행된 실험의 최적 결과이다.In this experiment, the effects of single treatment with oxygen, carbon dioxide, and ethylene, two gas treatments, and three gas treatments were investigated. At this time, the supplied gas was 40% oxygen, 2.5% carbon dioxide, and 10 ppm ethylene, and two or more combination treatments were also configured at the same gas concentration. Each gas supply period was 10 to 50 days for oxygen and carbon dioxide and 0 to 30 days for ethylene for 50 days of total culture. In other words, the concentration of gas used in this experiment and the supply period are the optimal results of the previous experiment.
도 8은 배양 특정 기간 동안의 혼합 가스 공급에 따른 산삼 부정근의 생장과 대사산물의 함량 변화를 나타낸 그래프로, 도 8a는 생장량, 도 8b는 사포닌 함량, 그리고 도 7c는 다당체 함량을 나타낸다. 여기에서 A는 대조군, B는 O2, C는 CO2, D는 C2H4, E는 O2+CO2, F는 O2+C2H4 , G는 CO2+C2H4, H는 O2+CO2+C2H 4의 경우이다. 도 8에서 보는 바와 같이, 기존 배양 공정에서는 46.53 g의 건물중을 얻었으며, 산소, 이산화탄소 및 에틸렌의 세 가지 가스를 조합하여 동시에 처리하였을 경우 가장 높은 생장량인 72.51 g을 얻을 수 있었다. 또한, 각각의 가스를 배양 전 기간에 걸쳐 공급하지 않고 일정 기간 동안만 공급하였으므로, 50 일간 계속해서 가스를 공급하는 것보다 더 적은 양의 가스를 사용하였으며, 이 경우 더 많은 생산량을 올릴 수 있다는 2 가지 장점이 있다.8 is a graph showing the growth and metabolite content change of wild ginseng root muscle with mixed gas supply during a specific period of culture, Figure 8a shows the growth, Figure 8b saponin content, and Figure 7c shows the polysaccharide content. Where A is the control, B is O 2 , C is CO 2 , D is C 2 H 4 , E is O 2 + CO 2 , F is O 2 + C 2 H 4 , G is CO 2 + C 2 H 4 , H is the case of O 2 + CO 2 + C 2 H 4 . As shown in FIG. 8, 46.53 g of dry weight was obtained in the conventional culture process, and the highest growth amount, 72.51 g, was obtained when the three gases of oxygen, carbon dioxide, and ethylene were treated simultaneously. In addition, since each gas was supplied only for a certain period of time, not for the entire period of incubation, less gas was used than 50 days of continuous gas supply, and in this case, more production could be achieved. There are advantages.
다음 표 1은 질소와 산소 가스 공급에 따른 산삼 부정근의 생장 변화를 나타낸 것이다.The following Table 1 shows the growth of wild ginseng roots with nitrogen and oxygen gas supply.
5. 산삼 부정근 배양시 에테폰(ethephon) 처리의 효과 5. Effect of ethephon treatment on wild ginseng root culture
에틸렌 가스를 발생시키는 에테폰을 배지에 10 ppm, 30 ppm 처리하여 산삼 부정근을 배양하였을 경우, 각각 62.81 g과 49.41 g의 건물중을 얻을 수 있었다. 이때, 기존 배양 공정에 의해서는 43.82 g의 건물중을 얻었다.When ethanol generating ethylene gas was treated with 10 ppm and 30 ppm in medium, cultivation of wild ginseng root muscle yielded 62.81 g and 49.41 g of dry weight, respectively. At this time, 43.82 g of dry weight was obtained by the existing culture process.
다음 표 2는 에테폰 처리에 따른 산삼 부정근의 생장과 대사산물의 함량 변화를 나타낸 것이다.The following Table 2 shows the growth and metabolite content of wild ginseng root of Ginseng by ethephon treatment.
이상 실시예에 따른 실험 결과를 요약하면, 생물반응기(bioreactor)를 이용한 산삼(Panax ginseng C.A. Meyer) 부정근 배양시, 생물반응기 내로 주입되는 산소의 농도와 공급 기간을 조절하였을 경우 부정근의 생장은 기존 배양 공정(대조군)에 의한 생산량에 비해 14.4∼21.1%의 생산량 증대를 가져왔다. 또한, 이산화탄소의 경우에는 19.2∼24.1%, 에틸렌의 경우 27.3∼37.5%의 생장량 증가를 가져올 수 있었다. 한편, 산소, 이산화탄소 및 에틸렌의 세 가지 가스를 조합하여 특정 기간 동안 혼합가스를 처리하였을 경우에는 최대 55.8%의 생장량 증가를 얻을 수 있었다.In summary, the experimental results according to the above embodiment, when the growth of wild ginseng ( Panax ginseng CA Meyer) in the root muscle using a bioreactor, when the concentration and supply period of oxygen injected into the bioreactor were adjusted, Compared with the production by the control (control), the production increased by 14.4 to 21.1%. In addition, it was possible to increase the growth of 19.2 to 24.1% for carbon dioxide and 27.3 to 37.5% for ethylene. On the other hand, when a combination of three gases of oxygen, carbon dioxide and ethylene was treated for a certain period of time it was possible to obtain a growth rate of up to 55.8%.
그리고, 산삼 부정근에 의한 사포닌 축적에 있어서는, 산소를 공급한 배양공정에서 기존 배양공정에 의한 사포닌 함량(3.6 ㎎/g)에 비해 약 1.5 배 증가된 5.42 ㎎/g의 사포닌 합성을 얻었다. 다당체 함량에 있어서는 산소 처리구가 12.2%로서 기존 배양에 의한 다당체 함량 11.4%에 비해 다소 증가하였다.In the saponin accumulation by wild ginseng root muscle, saponin synthesis of about 5.42 mg / g was obtained by 1.5-fold increase compared to the saponin content (3.6 mg / g) by the conventional culture step in the oxygen-incubated step. In the polysaccharide content, oxygen treatment was 12.2%, which was slightly increased compared to the polysaccharide content of 11.4% by conventional culture.
한편, 에틸렌 가스를 발생시키는 에테폰을 처리하였을 경우, 부정근의 생장은 기존 배양 공정에 비해 43.3%의 생장량 증가를 가져왔다.On the other hand, when treated with the ethylene produced the ethylene gas, the growth of the roots of the roots of the growth of 43.3% compared to the conventional culture process.
본 발명에 따르면, 생물반응기를 이용하여 인삼, 산삼 또는 장뇌삼의 부정근 배양시 산소, 이산화탄소, 및/또는 에틸렌 기체를 적절한 농도로 일정 기간 동안 공급함으로써 기존 배양 공정 보다 훨씬 높은 생산량을 얻을 수 있으며, 이는 앞으로의 식물 조직배양 전략으로서도 그 이용가치가 있을 것으로 생각된다.According to the present invention, by using a bioreactor to supply oxygen, carbon dioxide, and / or ethylene gas at an appropriate concentration for a certain period of time in culture of ginseng, wild ginseng, or camphor ginseng, a much higher yield can be obtained than a conventional culture process. It may be of value as a future plant tissue culture strategy.
도 1은 생물반응기와 가스를 이용한 부정근 생산에 대한 공정도,1 is a process chart for the production of root muscle using a bioreactor and gas,
도 2는 배양 전 기간 동안의 산소 공급에 따른 산삼 부정근의 생장과 대사산물의 함량 변화를 나타낸 그래프,Figure 2 is a graph showing the growth and metabolite content of wild ginseng root muscle with oxygen supply during the pre-culture period,
도 3은 배양 특정 기간 동안의 산소 공급에 따른 산삼 부정근의 생장과 대사산물의 함량 변화를 나타낸 그래프,Figure 3 is a graph showing the growth and metabolite content of wild ginseng root muscle with oxygen supply during a specific period of culture,
도 4는 배양 전 기간 동안의 이산화탄소 공급에 따른 산삼 부정근의 생장과 대사산물의 함량 변화를 나타낸 그래프,4 is a graph showing the growth and metabolite content of wild ginseng roots with carbon dioxide during the pre-culture period,
도 5는 배양 특정 기간 동안의 이산화탄소 공급에 따른 산삼 부정근의 생장과 대사산물의 함량 변화를 나타낸 그래프,5 is a graph showing the growth and metabolite content of wild ginseng roots with carbon dioxide supply during a specific period of culture,
도 6은 배양 전 기간 동안의 에틸렌 공급에 따른 산삼 부정근의 생장과 대사산물의 함량 변화를 나타낸 그래프,6 is a graph showing the growth and metabolite content of wild ginseng roots with ethylene supply during the pre-culture period,
도 7은 배양 특정 기간 동안의 에틸렌 공급에 따른 산삼 부정근의 생장과 대사산물의 함량 변화를 나타낸 그래프,7 is a graph showing the growth and metabolite content of wild ginseng root muscle with ethylene supply during a specific period of culture.
도 8은 배양 특정 기간 동안의 혼합 가스 공급에 따른 산삼 부정근의 생장과 대사산물의 함량 변화를 나타낸 그래프.8 is a graph showing the growth and metabolite content changes of wild ginseng root muscle with mixed gas supply during a specific period of culture.
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