체세포배발생 형태에 따른 일천궁 기내식물체 재분화

서 언

일천궁 (Cnidium officinale Makino)은 미나리과 (Apiaceae)에 속하는 다년생 초본으로 임산물 소득원의 지원대상 품목 중 하나이다. 우리나라 약용식물 생산량 중 일천궁은 3.6%를 차지하고 있으며, 생산액은 ’20년 173 억에서 ’21년 300 억으로 기존 대비 42% 상승했다 (KFS, 2021).

우리나라에서는 경북 봉화, 영양과 강원도 평창, 태백, 삼척 등에서 주로 재배되고 있으며 (Kim et al., 2012; Jeong et al., 2021), 재배 적지는 여름철 최고 기온은 28℃ 이하로 해발 400 m 내·외의 준고랭지로 알려져 있다.

일천궁의 뿌리줄기는 예로부터 혈압강화, 혈액순환, 진통, 항암, 생리불순 등의 약리 효능이 있어 이러한 질병에 대한 치료목적으로 사용되어 왔다 (Choi et al., 2002; Bae et al., 2011; He et al., 2012; Chang et al., 2020).

현대에 들어와 일천궁의 지표성분으로 falcarindiol, chlorogenic acid, ferulic acid, senkyunolide A 그리고 (Z)-ligustilide 등이 밝혀졌으며, 이 물질들은 주로 항산화, 간 보호, 항암, 항균, 항염, 해열, 항비만, 항바이러스, 항고혈압 등에 효과가 있다는 연구 결과들이 보고되었다 (Kumar and Pruthi, 2014; Muhammad et al., 2018; Xie et al., 2020). 최근에는 면역증진에 대한 관심이 증가하면서 건강기능성 식품의 원료로 각광을 받고 있으며 산업적 요구도가 증가하고 있는 실정이다.

일천궁의 번식은 대부분 노두나 괴경을 이용한 영양번식으로 이루어진다 (Yu et al., 1999). 꽃은 피지만 일부 염색체가 상동염색체와 짝을 이루지 않는 점 때문에 불임화분이 형성되어 열매의 결실이 일어나지 않는다 (Hatano et al., 1970). 이러한 이유로 영양번식에 의해 대부분 증식되는 일천궁과 같은 뿌리를 이용하는 약용자원은 나누기를 하는 과정에서 괴경 혹은 괴근이 바이러스 감염에 쉽게 노출될 수 있으며, 바이러스에 감염된 재료를 사용 시 생산량과 품질 저하에 영향을 미칠 수 있다 (Rao and Reddy, 2020). 이러한 문제점을 해결하기 위한 대안으로 조직배양기술이 활용되고 있다. 조직배양은 바이러스 등의 병이 없는 개체를 기내에서 생산하고 이를 대량 생산할 수 있으며, 일천궁과 같이 종자로 증식이 어려운 수종들의 증식 문제를 해결할 수 있는 대안 중의 하나이다 (Thorpe, 2007).

이전 보고된 일천궁의 조직배양 연구는 정아 배양을 통한 다줄기 유도 (Pant et al., 1996)와 화기에 2,4-D를 처리하여 현탁배양 혹은 고체배양을 통해 배발생캘러스를 유도 (Chae and Park., 1994; Cho., 2000)한 연구가 보고되었다. 또한 줄기절편으로부터 체세포배발생을 유도하였으며 (Adil et al., 2018), 기내식물체의 생장점배양을 한 재분화연구가 보고되었다 (Lee et al., 1994).

본 연구는 일천궁의 기내식물체 대량생산 효율을 높이기 위한 체세포배발생 유도의 효과적인 방법을 알아보고자 하였으며, 연구 결과는 괴경으로만 증식이 가능한 일천궁을 조직배양 방법을 이용하여 안정적이고 지속적으로 생산할 수 있는 기초자료로 활용될 것으로 기대한다.

재료 및 방법

결과 및 고찰

1. 호르몬 및 절편종류에 따른 체세포배발생 유도

배발생 조직 유도율은 세 종류의 절편 중 엽 절편체에서 가장 높았다. 체세포배의 유도 형태는 사이토키닌이 첨가된 배지의 경우 절편에서 직접 체세포배가 유도되는 직접 체세포배 발생 (direct somatic embryogenesis) 형태로 나타났으며, 옥신 첨가 배지에서는 배발생 조직이 나타난 후 체세포배가 유도되는 간접 체세포배 발생 (indirect somatic embryogenesis) 형태가 특징적으로 나타났다.

엽 절편을 접종한 사이토키닌 처리 배지에서는 배발생조직 유도율은 0.5 ㎎/ℓ와 1.0 ㎎/ℓ 농도의 kinetin 처리에서 모두 95.8%로 높은 유도율을 보여주었으며, 다음으로 1.0 ㎎/ℓ의 수준의 BA 처리에서는 79.2%의 배발생 조직이 유도되었다 (Table 1). 0.5 ㎎/ℓ의 TDZ 처리에서는 20.0% 이하의 낮은 배발생 조직 유도율을 보여 배발생 조직 유도를 위해서는 적정하지 않았다 (Table 1).

Table 1.

Effects of plant growth regulators on somatic embryo induction from leaf explants of C. officinale.

엽 절편당 유도된 체세포배 개수는 0.5 ㎎/ℓ - 2.0 ㎎/ℓ의 BA 처리에서 절편당 평균 10 개에서 17 개까지 유도되었으며, kinetin의 경우 0.5 ㎎/ℓ의 농도에서 11.6 개, 2.0 ㎎/ℓ의 농도에서는 11.2 개 순으로 유도되었다.

TDZ첨가 배지에서는 0.5 ㎎/ℓ 처리에서 평균 5.2 개의 체세포배가 유도되었으며, 그 이상의 농도에서는 체세포배가 유도되지 않았다 (Table 1). 사이토키닌처리 배지에 접종한 대부분 엽절편에서는 배양 2 주 이후부터 직접 체세포배발생 형태로 체세포배가 유도되었으며, 배발생조직을 거치지 않고 초기 단계의 심장형, 어뢰형의 체세포배가 엽절편의 절단면을 따라 형성되었다 (Fig. 1A and B).

Fig. 1.

Somatic embryogenesis of C. officinale.Leaf explants cultured on MS medium supplemented kinetin 2.0 ㎎/ℓ induced globular (A) and heart-shaped (B) direct somatic embryos after culture for 3-week (Bar = 1 ㎜). (C) Indirect embryogenic callus and globular - torpedo stage embryo induced from leaf explant on MS medium supplemented 2,4-D 0.5 ㎎/ℓ after culture for 10 weeks (Bar = 1 ㎜). (D) Germinated somatic embryos were developed from leaf explants on MS medium supplemented BAP 3.0 ㎎/ℓ after culture for 4 weeks. (E) Root formation on MS hormone free medium for 8 week. (F) Plantlets were transferred to different artificial soils and left to grow for 60 days.

옥신첨가 배지에 엽절편을 접종한 후 배발생 조직의 유도율은 0.5 ㎎/ℓ 수준의 2,4-D 처리에서 75%의 유도율과 절편당 평균 16.2 개의 체세포배 유도를 보여주었다. Picloram 처리의 경우, 0.5 ㎎/ℓ의 picloram 첨가 배지에서 20.8%의 배발생 조직 유도율을 보였으며, 1.0 ㎎/ℓ와 2.0 ㎎/ℓ 농도의 picloram 처리 배지에서 8.3%, 3.0 ㎎/ℓ의 picloram 처리에서는 배발생조직이 유도되지 않아 체세포배 발생 유도 배지로 적정하지 않았다 (Table 1). 옥신이 첨가된 배지에 접종한 엽 절편에서는 간접 체세포배 발생형태로 배양 4 주 이후 연노랑색을 띄는 배발생 조직이 유도된 후 체세포배가 함께 유도되었다 (Fig. 1C).

사이토키닌 첨가 배지에 엽병 절편을 접종한 결과 1.0 ㎎/ℓ의 kinetin 첨가 배지에서 45.8%의 배발생 조직이 유도되었다 (Table 2). 1.0 ㎎/ℓ - 3.0 ㎎/ℓ 농도 수준으로 첨가된 BA 첨가 배지에는 접종한 엽병 절편으로부터 약 25.0%에서 41.7% 수준으로 체세포배 발생이 유도되었으며, 절편당 유도된 체세포배의 수는 평균 12.8 개에서 28.2 개로 나타났다 (Table 2). 대부분의 체세포배는 직접 체세포배 발생형태로 유도되었고 배양 4 주 이후 어뢰형 체세포배 단계를 지나 부분적으로 발아가 되는 것이 관찰되었다.

Table 2.

Effects of plant growth regulators on somatic embryo induction from petiole explants of C. officinale.

엽병 절편을 대상으로하여 picloram과 2,4-D를 처리하는 경우, 배양 4 주 이후부터 연노랑 배발생 조직이 형성되었으며, 9 주 이후부터 체세포배가 형성되는 것이 관찰되었다. 체세포 배발생 유도율은 20% 미만이었으며, 절편당 체세포배유도 효율은 사이토키닌 처리와 비교하여 저조하였다 (Table 2).

뿌리 절편을 사이토키닌 첨가 배지에 접종한 결과 체세포배 발생은 1.0 ㎎/ℓ의 kinetin 처리에서 20.8%의 유도율을 보였으며, 절편당 유도된 체세포배의 개수는 평균 8.9 개로 나타났다. 옥신이 첨가된 배지에서는 0.5 ㎎/ℓ의 2,4-D 처리에서 29.2%의 배발생 조직이 유도되었고, 평균 9.3 개의 절편당 체세포배가 유도되었다 (Table 3). 뿌리 절편의 경우 사이토키닌 첨가 배지에서 배양 4 주 후부터 직접 체세포배가 유도되기 시작하였다. TDZ의 경우 3.0 ㎎/ℓ의 고농도 처리에서 12.5%의 체세포배발생이 유도되었으나, picloram 처리에서는 흰색의 비배발생캘러스 만이 형성되었다.

Table 3.

Effects of plant growth regulators on somatic embryo induction from root explants of C. officinale.

위의 결과와 같이 첨가된 호르몬의 종류 및 농도 뿐만 아니라 절편의 종류에 따라서도 체세포배발생의 효율 그리고 유도 기간이 현저히 차이가 나는 것을 확인하였다. 또한 엽 절편에서는 엽병 그리고 뿌리 절편과 비교하여 체세포배발생 유도율이 50% 이상 우수한 것을 확인하였다.

이전의 연구에서 일천궁 체세포배발생의 경우 미숙화기 혹은 절간 절편에서 체세포배 발생 유도 효율이 가장 높았으며, 2,4-D 혹은 BA 단독 처리와 두 가지를 혼합 처리 시 유도율이 높았다고 보고된 바 있으나 (Cho et al., 2000; Lee et al., 2009), 본 연구에서는 기내배양체의 엽 절편에서 95% 이상의 높은 체세포배발생 유도율을 보였으며, 기존 보고된 호르몬인 2,4-D와 BA 이외에 kinetin 처리에서 높은 유도효율을 나타내었다.

천궁과 같은 미나리과 (Apiaceae)에 속하는 탑시아가르가니카 (Thapsia garganica)는 1.0 ㎎/ℓ의 2,4-D를 단독 처리 시 잎 절편으로부터 체세포배 발생 유도율이 가장 높았으며 (Anne et al., 1993), 고수 (Coriandrum sativum L.)는 1.0 ㎎/ℓ의 2,4-D와 1.0 ㎎/ℓ의 kinetin을 혼합 처리한 배지에서 배축 절편으로부터 체세포배발생이 가장 적정하다고 보고된 바 있다 (Mujib et al., 2014) 또한 아조완 (Carum copticum L.)은 0.5 ㎎/ℓ의 2,4-D와 1.0 ㎎/ℓ의 kinetin이 혼합 처리된 배지에 배축 절편에서 (Niazian et al., 2017), 야생샐러리 (Kelussia odorotissima)의 경우, 1.0 ㎎/ℓ의 2,4-D와 0.25 ㎎/ℓ의 kinetin 혼합 처리한 배지에 자엽절편을 사용한 것에서 체세포배 발생 유도 효율이 가장 높다고 보고하였다 (Ebrahimi et al., 2018).

이와 같이 미나리과 (Apiaceae)에 속하는 식물체의 체세포 배유도의 경우 2,4-D와 더불어 공통적으로 kinetin이 첨가된 배지에서 유도 효율이 높은 것으로 보고되고 있으며 본 연구결과에서도 kinetin 단독 처리 시 일천궁의 엽 절편에서 체세포배발생 유도효율이 가장 좋은 것으로 확인되었다.

3. 토양순화 및 온실생육

직·간접 체세포배발생 유래 기내식물체의 순화율은 80% 이상으로 순화 30 일 후 온실로 이동하여 생육시켰다. 그 결과 펄라이트를 단독 사용한 인공상토에서 생육한 식물체의 생존율이 펄라이트와 버미큘라이트를 혼합한 인공상토 대비 높게 나타났다. 펄라이트와 버미큘라이트 혼합 처리에서는 1 번 라인 73.3%, 2 번 라인 33.3%, 3 번 라인 10.0%, 4 번 라인 100%로 생존율을 보였다. 펄라이트 단독 처리에서는 1 번 라인 93.3%, 2 번 라인 86.7％, 3 번 라인 73.3%, 4 번 라인 100%를 보여 4 번 라인을 제외한 처리에서 펄라이트 단독 처리가 효과적임을 확인하였다 (Table 4).

Table 4.

Effects of substrates on the survival of transplanted C. officinale plantlets after transplanting for 60 days.

본 연구 결과는 종자로 번식이 어려운 천궁의 체세포배 발생 유도 방법을 이용하여 균일하고 안정적인 종묘의 생산이 가능하며 대량생산과 신품종 개발연구에도 활용될 수 있을 것이다. 또한 일천궁의 체세포배 발생 유도 연구는 엽과 뿌리 절편체를 이용한 연구가 이루어진 바가 없었으므로 향후 일천궁 체세포배발생을 위한 기본자료로 활용될 수 있을 것으로 생각된다.

Acknowledgments

본 연구는 국립산림과학원 연구개발사업(과제번호: FG0700-2018-02)의 지원에 의해 이루어진 결과로 이에 감사드립니다.

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