식물의 조직 및 기관배양

신초 대량 배양

생물반응기를 이용하여 무균의 신초를 대량 생산하기 위해서는 먼저 조직배양기술을 이용하여 목적으로 하는 식물체의 급속 대량증식에 관한 요인 실험이 이루어져야 한다. 생물반응기를 이용한 영양번식 재료의 급속 대량증식에 가장 적합한 수종은 기내에서 줄기의 신장이 잘 되며 기외 삽목이 가능한 수종이다. 일정량의 기내 신초가 형성되고 신장하면 줄기의 절간에 측아가 하나씩 붙어 있도록 준비하여 20L의 생물반응기에서 60~100개의 시료를 배양한다. 이때 생물반응기는 세포배양에 사용된 배양기를 사용하여도 무방하지만 대부분의 식물의 조직이나 기관이 액체 속에 침전되어 있을 경우에는 불량한 생육상태와 조직의 투명화가 심각하게 일어나므로 생물반응기 내에 배양 배지가 일정 기간 동안 들어갔다가 배지 저장고로 빠지는 저면관수 방식으로 제작하거나 생물반응기 내에서는 배지가 자동으로 분사되는 방식을 이용하는 것이 바람직하다. 목본식물 중 포플러의 경우 7~9cm의 기내 줄기 500여 개의 생물반응기에서 배양한 후 1차로 줄기 분화 배지에서 약 4주간 배양할 경우 3mm 이하의 다경 줄기를 15,000개 정도 얻을 수 있다. 다시 줄기 신장 배지로 교체한 다음 암 상태에서 약 4주간 배양할 경우 각각의 줄기는 5cm가량 신장하는데, 이를 다시 명조건에서 8주간 배양할 경우 잎의 평균 지름 1~2cm 내외, 줄기의 길이 15cm 정도의 건전한 식물체가 형성되는데, 이를 수확하여 조제할 경우 줄기 하나당 약 15개의 삽 물체가 형성되는데, 이를 수확하여 조제할 경우 줄기 하나당 약 15개의 삽수를 얻을 수 있기 때문에 20L의 생물반응기 한 대에서 약 224,000개의 삽목묘를 얻을 수 있다. 감자의 경우에는 조직배양 중인 시료의 줄기 지름이 약 5mm가 되는 것을 시료로 사용하는 것이 좋으며, 전술한 바와 같이 조직 배양한 기내 줄기의 마디에 1개의 측아가 붙어 있도록 조제한 다음 약 100개의 마디를 배양할 경우 각각의 측아에서 많은 수의 측아가 연속적으로 분화된 후 이들이 동시에 신장함으로써 배양 6주 후에는 각각의 줄기에서 측아가 약 10개 이상 발육하고 줄기의 평균 길이가 14cm 정도에 이르게 되며, 총 500개에서 1,000개 정도의 줄기를 얻을 수 있는데, 이들을 수확하여 마디가 1개가 되도록 조제한 다음 기외에서 발근 시킬 경우 평균 5,000개의 삽목묘를 얻을 수 있다. 구형의 생물반응기를 이용할 경우 배양기의 위쪽이나 측면에 광원을 설치할 수도 있지만, 둥근 형광등 램프를 생물반응기 상부에 지지체를 끼워 올려놓는 방법도 이용되고 있다.

세근 대량증식

생물반응기를 이용하여 세근을 대량 배양할 경우에도 조직배양기법을 이용하여 목적으로 하는 세근의 대량증식이 선행되어야 한다. 생물반응기를 이용한 대량 배양은 산업화와 연결된다는 것을 감안할 때 배양 시료로 사용하는 세근의 경우에도 지속적인 기내 선발에 의하여 급속 생장이 가능한 상태로 선발하여야 한다. 세근을 배양할 때에는 세근을 일정한 크기로 자른 다음 생물반응기에 접종하는 것이 좋다. 세근 배양의 경우 대부분 초기 접종량에 제한을 적게 받기 때문에 배양 총량의 5~10%를 배양하여도 무방하지만, 초대배양 때의 세근 접종량이 배양 후의 증식 속도와 밀접한 관계가 있다는 점을 감안하여야 한다. 예를 들어 인삼의 경우 조직 배양한 세근을 1cm 정도의 크기로 자른 다음 공기 부양식 생물반응기에 10% 배양하였을 때 배양 6주 후에는 초기 접종량의 약 30배에 이르는 생체를 얻을 수 있다. 인삼의 세근을 배양할 때 가장 중요한 요인으로는 배양 배지 첨가 또는 교체시기의 결정과 용존산소량을 일정한 상태로 유지시키는 것으로 생각된다. 특히, 인삼의 세근은 줄기 대량 생산용 생물반응기보다는 세포배양용 생물반응기가 더욱 효과적이다.

종묘 대량생산

최근 바이러스를 제거한 원예종묘의 생산은 기업연구소뿐만 아니라 국내의 대학 및 국가연구소에서도 활발한 연구가 이루어지고 있다. 생물반응기를 이용하여 원예용 종묘를 생산할 경우 조직배양에 의한 종구 생산비의 약 60% 이상을 차지하는 인건비를 대폭 줄일 수 있으므로 산업화가 가능하다는 많은 연구결과가 보고된 바 있다. 미나리의 경우 종자를 수집하기가 어렵고 발아율 및 발아세도 저조한 편이지만 캘러스 배양에 의한 체세포배의 형성 기술이 이미 확립되어 있는 상태이다. 그러나, 캘러스의 증식률이 낮아서 대량생산의 문제점을 여전히 안고 있다. 미나리의 세포를 생물반응기에 배양하기 위해서는 먼저 형태형성능을 지니고 있는 세포의 현탁배양을 확립하여야 하는데, 이를 위해서는 선발된 캘러스에 일정량의 배양 배지를 넣고 마쇄하여 단세포배성 세포 현탁 배양체를 확립하도록 한다. 현탁 배양체가 준비되면 앞에서 설명한 생물반응기 배양법을 활용하여 세포를 대량 증식할 수 있다. 생물반응기에서 미나리의 세포증식 배지로는 2,4-D 1mg/L를 넣어 주는 것이 좋으며, 세포를 2,4-D를 첨가하지 않은 MS 기본 배지에 넣어 줌으로써 생물반응기 내에서 체세포배를 형성시킬 수 있으며, 체세포배 방생 시 반고체 배지에 플레이팅 하는 방법도 효과적이다. 마늘의 경우에도 생물반응기를 이용하여 대량생산이 가능한데, 일정 양의 기내 증식한 다경 줄기를 20L급 생물반응기 하부의 스텐 망에 살짝 깔릴 정도만 접종하여 초기 배양 6주 동안은 신초 형성 유도 배지를 넣어 주고, 그 후에는 구 형성 배지로 교체해 주도록 한다.