조직배양시 기내환경조절

  미세 번식 기술을 이용한 식물 묘의 상업적인 생산이 세계적으로 보급되고 있다. 그러나, 미세 번식 기술에 의한 배양묘의 생산경비가 종래의 실생묘 또는 삽목묘의 생산비에 비하여 높기 때문에 주요 원예작물이나 조림용 수목 등의 묘 생산에 있어서 광범위한 이용은 아직 한정되어 있는 상태이다. 미세 번식과정의 생산비가 높은 이유는 인건비가 높으며 증식 과정에서 생장속도가 낮고, 배양 및 순화 과정에서 고사율이 높으며, 형태적, 생리적으로 비정상적인 소식물체가 많이 발생하기 때문이다. 미세 번식 기술의 상업적 이용에 있어서 인건비가 전생 산비의 1/2 이상을 차지하고 있다. 인건비가 차지하는 비율이 높은 이유 중의 하나는 조직배양 시 당을 첨가한 배지를 이용하기 때문에 배양기 내 병원균의 감염으로 인하여 오염 발생률이 높다는 것이다. 병원균 감염으로 인한 식물체의 손실을 최소화하기 위해서는 무균 조건하에서 배양병 마개의 면적이 작은 소형 배양기를 이용하는 등, 조직배양 과정이 주로 수작업에 의존하고 있기 때문에 인건비가 상승하게 된다. 이러한 배양방법을 유당 배양 또는 종속영양 배양이라고 한다. 최근에 이르러 배지에 당을 첨가하지 않는 무당 배양 또는 광독립영양배양에 의한 배양묘 생산방법이 연구 개발되고 있다. 이것은 배양 소식물체의 광합성 능력을 최대한으로 유지하기 위하여 배양기 내의 환경을 소식물체의 광합성에 적합하도록 개선하여 광합성만으로 소식물체를 생장시키는 배양방법이다. 종래의 유당 배양에 비하여 무당 배양은 소식물체의 생장을 촉진시키고, 형태적, 생리적 이상현상을 감소시키며, 배양 및 순화 기간 동안 배양 소식물체의 고사율을 저하시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 무당 배양에서는 배지에 당을 첨가하지 않기 때문에 배양기 내 병원균의 번식 속도가 매우 느려서 종래와는 달리 배양병 마개의 면적이 넓은 대형 배양기를 이용할 수 있으며, 조직배양의 대형화에 의하여 미세 번식과정의 수작업을 경감시킬 수 있다. 세계적으로 인건비가 상승하고 있는 현시점에서 생산비를 절감하기 위해서는 생산과정의 생력화를 도모해야만 한다. 생력화라고 하더라도 반드시 자동화나 로봇화를 의미하는 것이 아니라, 인간의 노동력에 의존하고 있는 조직배양묘 생산과정의 일부를 자동화나 로봇화하여 그만큼 인건비를 경감시키는 것을 말한다. 종래 미세 번식과정에 있어서 배양 소식물체의 생장 및 발육에 미치는 환경조건의 영향을 충분히 파악하여 새로운 의미에서 배양의 생력화 및 자동화를 달성하여야만 할 것이다.

배양기 내 환경조절의 목적은 배양소식물체의 생장조절, 형태학적, 생리학적 특성 조절 및 인건비나 에너지 소비량의 절감 등에 의한 배양 소식물체의 생산성과 품질 향상에 있다. 식물조직배양에 있어서 환경 조절 기술로 해결하여야 할 문제점을 들어 보면 다음과 같다. 1) 배양 소식물체의 생장률이 낮다. 2) 과수화 또는 투명화 현상과 같은 형태적, 생리적 장해와 박테리아나 곰팡이에 의한 배지 내 오염발생으로 소식물체의 손실률이 높다. 3) 순화 단계에서 환경 스트레스에 의한 배양 소식물체의 손실률이 높다. 4) 소식물체의 품질, 형태, 크기 등에 차이가 많아서 균일한 소식물체를 생산하기가 곤란하다. 5) 광조사, 냉난방 및 이식과정에서 운영비용이 많이 든다.

배양 소식물체의 형태나 크기의 차이는 적절한 환경조절에 의하여 조절할 수 있다. 예를 들어 명기와 암기의 온도차, 강광도 등의 기내 물리환경의 조절에 의하여 소식물체의 초장을 조절할 수 있다.

소식물체의 형태 형성은 배양기 내의 환경에 의하여 결정되는데, 일반적으로 이식 단계에 있어서 미세 번식 기술에 의하여 생산된 소식물체의 이상적인 형태적 특징으로서 식물체의 절간 길이와 초장이 짧고, 지상부와 지하부의 비율이 적당하고 엽면적이 넓으며, 수분 스트레스에 내성이 강한 잎을 갖는다. 한편, 절간 길이가 길거나 엽면적이 작은 경우에는 증식 단계에서의 작업 효율성 향상을 위한 적당한 형태라고 할 수 있다. 한편, 종래의 유당 배양, 즉 종속영양 배양조건 하에서 배양한 소식물체는 해부학적, 생리학적으로 볼 때 표피 큐티클층의 왁스 형성이 불량하고, 기공의 수가 적고 크며, 엽록소 함량이 적고, 광합성 능력이 낮다. 이와 같은 특성은 적절한 배양기 내 물리환경의 조절에 의하여 개선할 수 있다.

환경조절의 개념은 배양기 내 소식물체의 생장뿐만 아니라 조직배양과정에서 소요되는 모든 운영비에도 영향을 끼친다. 배양실의 광 조사용 광원에 의하여 발생하는 열은 배양실 내의 온도를 일정 범위 내에서 유지하기 위한 냉방장치에 의하여 제거된다. 배양실의 벽이 열차단력이 높은 재질로 만들어진 배양실의 경우 총 냉방 부하의 90% 이상의 열이 광원으로부터 발생하는데, 이때 냉방에 필요한 전력 소모는 광조사에 소모되는 전력비의 약 50%를 차지한다. 따라서, 에너지 효율이 우수한 광조사 시스템의 고안과 확립은 조직배양과정에서 소요되는 총전력비를 절감시키기 위한 필수적인 요인이다. 한편, 배양실 벽의 열차단력이 불량한 경우에는 냉방에 필요한 전력 소모가 증가하고, 배양실 내 외의 대기 온도차도 증가하며, 암기 동안의 난방을 위한 전력 소모가 증가한다. 배양실 외부와는 달리 배양실 내 대기의 온도는 변화가 적기 때문에 냉난방부하는 시간에 따라 변한다. 냉난방을 위한 적절한 공기 분산 시스템은 배양실 내부의 수분 응결과 오염을 방지하고 배양실 내의 온도와 습도를 균일하게 유지하기 위하여 필요하다.

미세 번식과정 중에는 수작업에 따른 노동력을 많이 필요로 하는데, 적절한 환경조절에 의하여 수작업을 줄이면서 배양과정을 자동화할 수 있다. 일반적으로 이용되고 있는 소형 배양기 대신에 환경조절이 비교적 용이한 대형 배양기를 이용하는 것이 노동력을 절감하는 하나의 수단이 될 것이다. 따라서, 배양기 내의 환경조절은 일반적으로 당에 기인하는 배양기 내오염, 소식물체의 형태적, 생태적 변이 등의 경감에 의하여 광독립영양배양에 의한 미세 번식 기술에서 유효하게 적용할 수 있다.