식물조직배양

[화훼유진]

식물 조직배양 정의

고등식물은 다수의 세포가 모여서 조직을 구성하고 이 조직들이 모여서 기관을 형성한다. 이런 기관들은 각각 형태나 기능들이 다르지만 모여서 유기적으로 통제된 식물체를 만든다고 할 수 있다. 이런 식물체 중의 일부는 동물이나 미생물 세포처럼 무균 상태에서 필요한 영양분을 공급하면 증식하게 할 수가 있다. 따라서 식물세포 혹은 조직 배양이란 이런 다세포로 된 식물의 기관, 조직 또는 세포 등을 식물체에서 적출 분리하여 영양분이 들어 있는 기내에서 배양하여 callus나 단세포 집단을 유기시키든지 또는 식물체나 기관을 callus, 세포 또는 원조직편 등에서 직접 분화시키는 일련의 조작을 말한다고 정의할 수 있다.

조직배양의 이용

식물학 및 농학 등의 연구는 전 식물체를 대상으로 해 왔다. 그러나 배양생물학의 발달로 식물세포 및 조직배양이 연구재료가 간편하고 계절적인 제한이 없다는 장점 때문에 이러한 학문연구에 귀중한 수단으로 등장하게 되었다. 특히 식물세포는 전체 형성능이 있기 때문에 기초학 연구 뿐 아니라 응용분야, 특히 농업 기술 개선에 많이 이용되어 왔다. 현재 식물 조직 배양이 이용되고 있는 영역을 소개하면 아래와 같다.

▶ Plant Physiology, Morphology
식물의 분화와 물질 생산능, 유리효소의 검출, 효소 활성의 변화, 식물생장 호르몬의 요구도 등을 연구하는데 널리 쓰인다.

▶ Micropropagation
식물의 원예 및 육종 분야에 있어서 식물조직 배양이 가져온 업적은 가히 놀랄만한데 수많은 원예 작물의 다량 증식, 육종연한 단축은 화훼농업에 지대한 공헌을 하였다고 할 수 있다. 우리가 흔히 과히 비싸지 않은 금액으로 서양난을 손쉽게 구할 수 있게 된 것도 식물 조직 배양의 성과라 할 수 있다.

▶ Plant Pathology
튤립, 카네이션, 딸기, 마늘 등 쉽게 식물 바이러스에 이환되는 식물의 경우 virus-free 식물 개체를 만드는데 이용되고 있다.

▶ Pharmaceutical Sciences and Plant Biochemistry
식물 배양법이 농업이나 원예분야에 이용된 지 상당기간이 지난 후에 배양식물 혹은 배양세포도 역시 그 식물이 생산하는 화합물을 생산하는 능력이 있다는 것이 확인되었으며 이것을 이용하여 계절의 구애를 받지 않고 의약품의 원료를 확보할 수 있다는 면에서 새로운 관심을 끌게 된 분야이다. 식물조직배양은 생리활성 물질을 생산하는 식물 세포를 실험실 내에서 배양하여 계절에 상관없이 biomass를 구할 수 있고, 균질한 세포가 동일한 발달 상태에 있기 때문에 2차 대산의 연구를 위하여 널리 사용되어 왔다. 그러나 지금까지의 다양한 시도에도 불구하고 그 상업적 이용은 실현에 제약을 받아왔다. 분자생물학과 생명공학의 발달은 배양 식물 세포로부터 분리, 정제한 식물의 생합성 관련 효소를 이용할 수 있는 길을 열어 주었으며 따라서 식물조직 배양은 물질지향적인 접근방법이 아니라 효소를 목표로 하는 연구대상으로 바뀌어 가고 있다.

식물세포 배양의 시작 및 유지

식물세포 및 조직 배양의 기본을 이해하기 위해 간략히 어떻게 식물세포 배양을 시작하고 유지하는가에 대하여 설명하려고 한다. 식물 세포 배양은 정의에 나타나 있는 것처럼 원식물의 일부(explant)를 무균 상태로 취하여 이것을 agar가 일부 함유된 배지(solid media)에 치상하면 일정 시간 후 무정형의 세포괴로 자라는 것을 관찰할 수가 있다. 이것을 callus라 하며 식물 배양 기술을 응용하는데 있어 가장 기본이 되는 것이다. 이론적으로는 식물의 거의 모든 기관이 callus 유기에 이용될 수가 있다. 그러나 실제로는 적출 기관을 구성하는 세포가 어리거나 왕성하게 분열하는 세포일수록 callus 유기가 손쉽게 일어난다.

많이 이용되는 부위는 shoot tip, root tip, leaf, flower 등이며 씨앗중의 embryo나 radicle, hypocotyl, dicotyledon, plumule 등도 callus 가 손쉽게 유기되는 식물의 기관이다. 한편 callus 유기에 중요한 역할을 하는 것은 media 속에 함유된 식물생장 호르몬으로서 특히 auxin과 cytokinin은 식물세포의 세포 분열과 증식에 관여하므로 그 혼합비율을 달리하면 callus 유기를 촉진할 수 있다. 한편 일정시간 세포 분열을 거듭하여 일정크기로 자라게 된 callus를 agar가 들어 있지 않은 액상 배지에 옮기고 shaker에서 진탕하면서 배양하면 cell aggregate 혹은 single cell 상태로 cell 들을 자라게 할 수가 있는데 이것은 박테리아나 곰팡이와 같은 미생물의 진탕배양과 흡사한 형태로써 suspension culture라고 흔히 불린다. 이것은 callus와 같이 unorganized culture에 해당하지만 liquid media 내에서 자라게 하므로 영양의 공급이 callus에 비해 풍부하여 세포의 성장이 빠르고 균질한 세포의 상태를 유지하므로 특히 화합물 생산을 위한 갖가지 조작이 손쉽고 다양하기 때문에 2차대사 화합물 생산을 위한 연구에 널리 이용되고 있다.

한편 callus 나 suspension culture 상태의 세포들은 서로 언제나 바뀐 환경에서 자랄 수가 있다. 즉 suspension cell 들은 언제라도 solid media에 옮기면 callus로 자라게 되고 또 callus는 배지를 바꾸어 주기만 하면 언제나 suspension 상태에서 키울 수가 있다. 이 세포들은 전식물의 세포와 마찬가지로 세포벽으로 둘러 싸여 있는데 물리적이나 화학적인 방법으로 세포벽을 제거한 상태에서 키울 수도 있다. 식물세포의 세포벽을 제거한 상태의 세포를 원형질체(protoplast)라고 하며 배지에 고농도의 inositol 등을 함유한 배지에서 키우면 상당기간 동안 자란다. Inositol을 함유하지 않은 일반 배지에서 이 원형질체를 키우면 2-3일 내로 다시 세포벽이 복원되며 따라서 다시 callus나 suspension 상태로 키울 수가 있다. 일반적으로 식물세포가 배지내에서 3-4주 정도 자라게 되면 배지내의 수분이나 영양분이 고갈되고 세포의 밀도가 너무 높아져서 배지를 갈아주어야 한다. 이것은 subculture라고 하며 subculture하는 간격을 세포의 성장 정도, 세포의 특정 영양분의 요구도 등에 따라 달라질 수가 있다.

Callus나 suspension 상태의 세포에 식물생장 호르몬 (auxin, cytokinin, gibberellin, absicic acid, ethylene 등)의 조성을 달리하여 처리하면 callus로부터 싹이 자라가나 뿌리가 돋아나는 것을 관찰할 수가 있으며 이것을 일정기간 자라게 한 후 다시 싹에서는 뿌리가 뿌리에서는 싹이 자라게 하는 조작을 하면 기내에서 전식물로 자라게 할 수가 있다. 이것은 순화기간을 거쳐 옮겨 심으면 노지에서도 전식물로 자라게 된다. 이런 조작을 통하여 단기간내에 많은 유식물을 자라게 할 수 있으므로 육종에 널리 쓰이는 기술이 된다. 이렇게 분화된 조직(explant)으로부터 탈분화를 유도한 후 (callus suspension cell) 다시 이러한 탈분화 세포를 재분화 (callus에서 shoot or root의 형성)시켜 전식물로 자라게 할 수 있는 것은 식물이 가지고 있는 전식물로 자라게 할 수 있는 것은 식물이 가지고 있는 전체형성능(totipotency)이라는 특이성에 기초한 것이다.

한편, callus나 suspension cell을 일정기간 자라게 하면 그 세포중의 한 세포가 수정란이 분열해서 배(embryo)를 형성하는 것과 유사한 과정을 밟아서 식물체로 성장하는 수가 있다. 이때 단세포에서 발달하는 배는 수정란에서 형성되는 것과 같은 배이지만 수정란 유래의 것과 구별하기 위해서 명칭도 배상체 (embryoid) 라고 한다. 이처럼 단세포가 배로 발달하는 과정을 somatic embryogenesis 라고 한다.

식물조직배양(Plant tissue culture)은 식물의 전형성능을 이용하여 식물조직의 세포, 조직, 기관, 배, 종자 및 식물체의 일부를 영양소가 첨가된 배지에서 키우는 것을 말한다. 초기의 조직배양은 번식이 주요 목적이었으나 시간이 지나면서 많은 발전이 이루어져 지금은 다양한 분야에 이용되고 있다.

 Tip. 식물의 전형성능 (Totipotency)
식물조직배양이 가능한 이유는 식물의 totipotency(전형성능, 분화전능성 : 세포나 조직이 세포전체의 형태를 형성하거나 식물체를 재생하는 능력) 때문이다

식물조직배양의 특성

① 좁은 면적에서 적은 규모로 행해진다.
② 기내의 조건은 조직이 성장하는데 있어 영양소와 식물생장조절물질 뿐만아니라 물리적인 면에서도 알맞다.
③ 균류, 세균, 바이러스 등의 모든 미생물과 기타 고등식물에 번식하는 곤충 (해충, 선충)등이 제거된다.
④ 식물조직이 배지에 접종되면 식물체의 정상적인 발달이 깨지고 캘러스를 형성하거나 많은 비정상적인 방향(기관형성, 체세포배형성 등)으로 진행한다.
⑤ 배양이 기내에서 이루어진다.

출처:http://ilovemaha.egloos.com/