Hairy root cultures have demonstrated great promise in terms of their biosynthetic capability toward the production of secondary metabolites, but continue to constitute a major challenge with regard to large-scale cultures. In order to assess the possibility of conducting mass production of biomass, and the extraction of useful metabolites from Panax ginseng. P. ginseng hairy roots, transformed by Rhizobium rhizogenes KCTC 2744, were used in bioreactors of different types and sizes. The most effective mass production of hairy roots was achieved in several differently Sized air bubble bioreactors compared to all other bioreactor types. Hairy root growth was enhanced by aeration, and the production increased with increasing aeration rate in a 1 L bioreactor culture. It was determined that the hairy root growth rate could be substantially enhanced by increases in the aeration rate upto 0.5vvm, but at aeration rates above 0.5vvm, only slight promotions in growth rates were observed. In 20 L air bubble bioreactors, with a variety of inoculum sizes, the hairy roots exhibited the most robust growth rates with an inoculum size of 0.1% (w/v), within the range 0.1 to 0.7% (w/v). The specific growth rates of the hairy root decreased with increases in the inoculum size.
Hyoscyamine and scopolamine are two most common tropane alkaloids found in the Solanaceae. The pEB expression vector carrying Nspmt gene was transformed to Agrobacterium rhizogenes. The growth of transgenic hairy roots were approximately to 80% of the wild type root. Transgenic hairy roots are less developed on only their branch roots than those of the wild type root. The extracts from Nspmt transgenic hairy root lines, 3 and 5 contained between 3.52 and 4.23 mg/g dry weight as hyoscyamine and did between 5.23 to 6.40 mg/g dry weight as scopolamine. These results showed that the overexpression of the pmt gene enhanced tropane alkaloids production of S. parviflora transformed roots and this improvement affected both hyoscyamine and scopolamine production.
The hairy roots of Crotalaria sessiliflora were induced from the tissue segments infected with Agrobacterium rhizogenes ATCC 15834. The induced hairy roots were subjected to paper electrophoresis fro the detection of opine-positive clones which were considered to have been transformed. Mannopine and agropine were presented in hairy root clones while mannopine was presented in two hairy root clones. Eight hairy root clones were selected and cultured in MS, B5 and WP media. Each of hairy root clones was showed a difference in branch pattern and growth rate. The best culture medium and culture conditions of hairy roots were in $\frac{1}{2}$MS(3% sucrose, pH 5.7) liquid medium at 25$^\circ C$, 70 rpm under dark, the growth rate in $\frac{1}{2}$MS liquid medium was increased with 210-fold more than that of inoculated hairy roots and with 2-fold more than that in MS liquid medium. Also, the adequate condition for hairy root growth was such that concentration of KH$_2PO$_4 was 1.25mM and the ratio of NH${_4}{^+}$ : NO${_3}{^-}$ was 1 to 3 in MS medium. The presence of pyrrolizidine alkaloids, monocrotaline, in the hairy roots was detected by TLC.
형질전환된 소리쟁이 모상근의 기내 배양시 그 생장 특성과 anthraquinone생산성을 조사하기 위하여 소리쟁이의 모상근을 Agrobacterium rhirogenes strain $A_4$ 접종에 의하여 잎 절편으로부터 유기하여 부정근과 비교하였다. 잎 절편에서의 부정근 형성은 5 $\mu$M NAA를 첨가한 MS배지에서 가장 양호하였다. Paper electrophoresis를 통한 opine분석 결과 모상근에서만 mannopine이 검출되고 부정근에서는 검출되지 않았다. 부정근과 모상근 모두에서 2차근인 측근 근단은 호르몬을 첨가하지 않은 배지에서 신장만 할 뿐 분지하지 않았으나, 1차근인 주근의 근단은 많은 측지를 내며 빠르게 생장하였다. Anthraquinone 함량 증대에 따른 부정근과 모상근의 생장에는 MS기본 배지가 가장 양호하였다. 부정근과 모상근 배양시 생장량과 anthraquinone함량은 5% sucrose를 포함한 0.05 $\mu$M NAA와 0.1 $\mu$M kinetin으로 조성된 MS 액체 배지에서 가장 높은 것으로 나타났으며, 모상근의 anthraquinone함량은 배양 일수에 따라 증가하다가 배양 25일 이후에는 감소하였다.
Hairy root culture of ginseng is industrially prospected because the cultivation period of ginseng is relatively long. In this study, the effect of medium concentration and sucrose concentration on hairy root culture of ginseng was evaluated. The optimization of ginseng hairy roots transformed by Agrobacterium rhizogene were performed liquid medium. The MS(Murashinge & Skoog basal medium) concentration was selected with 1/2 strength MS and the optimal sucrose concentration was determined at 2-3%(w/v). At the optimum culture condition, The yield (the ratio of weight of grown hairy root cultures to weight of fresh ginseng hairy roots) and production rate of ginseng root were 19.42 times and 5.73 g/l-day. The major ginsenosides were Rb group, Re and Rg1. The produced total ginsenoside content in the solid medium was 9.87 (mg/g) and increased 1.34 times in the liquid medium (13.23 mg/g). In solid culture, the contents of ginsenosides Rb, Re and Rg1 were 2.14, 3.65 and 1.87 mg/g, respectively. In liquid culture, the contents of ginsenosides Rb, Re and Rg1 were 3.54, 4.12 and 2.63 mg/g, respectively.
본 연구는 아그로박테리움을 이용한 기능획득 일일초 모상근의 대량생산을 위한 조건 확립에 대한 것이다. 본 연구에서는, 효율적인 형질전환 일일초 모상근 생산에 있어서의 최적의 일일초 품종의 선발과 최적의 일일초 조직을 결정하였으며, 또한 다양한 배지에 있어서의 모상근 유도를 조사하였다. 최종적으로 약 2,500개의 독립적인 형질전환 일일초 모상근 line을 생산하였으며, 또한 이들을 이용하여, 대사체 연구를 위한 효율적 관리 시스템을 구축하였다. 이들 모상근 line은 일일초 인돌알칼로이드 생합성 관련 유전자의 발굴 및 기능해석에 유용하게 쓰일 것이다.
본 실험은 그늘쑥을 Agrobacterium을 통해 형질전환체인 모상근을 유기하고 모상근의 대량배양을 위해 모상근이 가장 잘 자라는 생장 조건을 찾기 위해 수행되었다. 실험 결과를 종합해 보면 선발된 그늘쑥 모상근 세포주의 대량 생산을 위한 최적 배지는 MS 기본 배지임을 확인하였다. 또한 최적의 havesting time 모상근의 성장률이 좋고 갈변과 배지의 미생물 오염도가 적은 4주가 적당한 것으로 판단된다. 그리고 광 처리 하에서 모상근을 배양하는 것보다는 암상태에서 모상근을 키우고 pH는 5.8 정도가 탄소원은 sucrose로 3.5%가 모상근 을 대량배양시 최적조건임을 확인되었다. 미량원소인 Fe$^{2+}$은 0.1 mM을 처리하는 것이 모상근의 성장을 촉진하였으며 spermine과 spermidine은 각각 10 mM와 100 mM로 처리하는 것이 모상근의 성장을 높일 수 있다. 앞으로 연구는 이 결과를 토대로 모상근 대량 배양을 위한 scale up조건과 bioreator의 설계에 관한 연구가 필요하다.
Agrobacterium rhizogenes의 Ri t-DNA로 형질전환된 당근의 모상근에 Glomus sp.를 감염시킨후 arbuscular 균근균 포자를 Modified Strullu & Romand 배지상에서 12주 동안 기내증식하였다. 기내증식을 위한 접종원으로는 포자보다는 균근감염 뿌리가 더 좋았다. 당근 모상근과 arbuscular 균근균의 대치배양으로 증식된 Glomus sp.의 포자는 직경 약 $50{\mu}m$정도의 원형 또는 타원형의 포자로서 균사의 중간부위에서 형성되었다. 12주 동안 기내에서 대치 배양한 결과 plate 당 약 1,200개 정도의 arbuscular 균근균 포자를 생산하였다.
Transformed hairy roots of Scopolia parviflora, producing tropane alkaloids and native to Korea, were obtained following infection of rhizome segments with Agrobacterium rhizogenes A4. Each root tip induced from inoculum sites excised and cultured in MS agar or liquid medium. About seventy of hairy root clones were established. Among them, several fast growing hairy root clones were examined for alkaliod content. Two dimensional TLC analysis showed that the tropane alkaloid pattern of hairy root was more complicated than that in the rhizome of mother plant. On the other hand, some hairy root clones did not produce scopolamine and hyoscyamine. In HPLC analysis, some hairy root clones yield higher levels of scopolamine and hyoscyamine than those of mother plant rhizome which used for infection. Scopolamine and hyoscyamine were identified by comparison of their retention times and of their spectra data with those of authentic compounds.
Ginseng (Panax ginseng CA. Meyer) hairy root cultures, which are established via the infection of ginseng root discs with Rhizobium rhizogenes, have been used to construct profiles of both biomass growth and nutrient consumption in flask cultures. In a 250 mL shake flask culture, the maximum biomass was observed on the 59th day of the culture period, at 216.8 g (fresh wt) per liter or 11.4 g (dry wt) per liter. The hairy roots were determined to have a growth rate of 0.355 g-DW/g cells/day during the exponential growth phase and a maximum specific growth rate on day 7. Total ginseng saponin and phenolic compound contents were noted to have increased within the latter portion of the culture period. Linear correlations between increases in biomass weight and nutrient uptake were used to imply the conductivity yield $2.60g-DW/(L{\cdot}mS)$ and carbon yield 0.45 g-DW/(g sugar) in the 250 mL flask cultures. The biomass yield when two different nitrogen sources were used (ammonia and nitrate) was shown to remain approximately constant. at $0.47g-DW/(L{\cdot}mM\;NH_4$) and $0.33g-DW/(L{\cdot}mM\;NO_3$); it remained at these levels for 16 days with the ammonia. and for 24 days with the nitrate. The biomass yield when a phosphate source was used was also shown to remain approximately constant for 9 days, at $3.17g-DW/(L{\cdot}mM\;PO_4$), with an $R^2$ of 0.99.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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