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ISSN : 2288-0992(Print)
ISSN : 2288-100X(Online)
Protected Horticulture and Plant Factory Vol.23 No.2 pp.144-147
DOI : https://doi.org/10.12791/KSBEC.2014.23.2.144

The Effect of Nutrient Solution Concentration on Growth of Potato Plantlet in Microponic System

Sun A Ko1, Ki Young Choi2, Yong-Beom Lee1*
1Department of Environmental Horticulture, The University of Seoul, Seoul, 130-743, Korea
2Department of Controlled Agriculture, Kangwon National University, Chuncheon-si, 200-701, Korea
Corresponding Author : hydropo@uos.ac.kr
April 7, 2014 June 13, 2014 June 18, 2014

Abstract


Microponic system에서 배양액의 농도변화가 감자 소식물체 생육에 미치는 영향

고 선아1, 최 기영2, 이 용범1*
1서울시립대학교 환경원예학과
2강원대학교 시설농업학과

초록

It was intended to closely examine an effect that a change in the concentration of culture medium had on the potato(Solanum tuberosum L.) plantlet growth in the microponic system so as to mass-produce the virus-free plant of new variety ‘Saebong’ for potato processing. The adjusted concentration of potato culture medium was 0.2, 0.6, 1.0, 1.4, 1.8, and 14.0 dS· m−1. And potato seedling was cut into pieces of 1.5 cm in length, which included 2 growth points and leaves. And each was explanted in glass vial of 50 mL. And experiments were carried out twice for 18 days or 21days. Culture medium of 2ml was put in the container respectively. And 1 mL was added after 10 days. And in terms of cultivation environment, the experiment was carried out at the day length of 16 hours at the temperature of 23 ± 1°C under the white LED light of 40 μmol·m−2·s−1. The concentration of culture medium in the experiment I was EC 0.2, 1.0, 14 dS·m−1 and was adjusted to 0.6, 1.0, 1.4, 1.8 dS·m−1 in the experiment II. The results showed that the survival rate of plantlet was 90% at 0.2 dS ² m-1, 100% at 0.6 dS ² m-1, 100% at 1.0 dS ² m-1. 0% at 1.4 dS·m−1, 0% at 1.8 dS·m−1. and 0% at 14.0 dS·m−1 after 7 days. With regard to the explanted potato seedling, in case of the treatment where the electrical conductivity of culture medium was adjusted to 1.0 dS·m−1, root developed 2 days after transplantation. And the plantlet vigorously grew into strong plant that had 7 leaves, length of 5cm, and fresh weight of 0.5 g after 18 days. In case of the treatment where the concentration of culture medium was adjusted to 0.6 dS·m−1, the root plantlets developed 4 days after transplantation. And those grew into plant that had 7 leaves and fresh weight of 0.2 g after 21 days. Therefore, we found that it is effective to control potato culture medium by adjusting its electrical conductivity to 0.6~1.0 dS·m−1 for the mass production of virus-free potato seedling in the microponic system.


    Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs

    서 론

    전 세계 중요한 식량자원 중 하나인 감자(Solanum tuberosum L.)는 번식 특성상 바이러스나 병원체에 노출 되기 쉽고 이로 인한 생산량 감소가 대두되어 무병주 생산을 위한 조직배양기술과 수경재배에 의한 씨감자 생 산체계가 확립되면서 건전묘 대량생산을 꾀하고 있다.

    조직배양단계에서는 고체배양 또는 액체배양으로 계대 증식하는데 액체배지를 사용하면 크고 튼실한 줄기나 잎 을 얻을 수 있고 경비도 대폭 줄일 수 있다(Akita and Takayama, 1994). 조직배양에서 당은 조직의 출아 발근 생육을 유도하지만 미생물의 침입을 용이하게 하는 단점 을 가지고 있다. 따라서 조직배양기술에서 멸균이 더욱 중요히 여겨지고 이로 인하여 고도의 기술과 기능이 필요 하게 된다. Aitken et al.(1995)은 배양기의 필터를 사용하 여 당 유무에 따른 감자광합성 속도는 무당처리에서 10배 높았다고 보고하였다. 즉, 감자 줄기와 잎이 배양기 통기 필터를 이용하여 이산화탄소를 공급받으면서 환기가 가능 하며, 근권 배지는 무기영양원이 충족됨에 따라 유당 상 태보다도 독립적인 식물의 광합성 능력을 배양시킨 결과 이다(Kozai et al., 1995). 이를 통해 엽록체를 갖는 식물 체는 explant라 할지라도 광합성을 통해 양분을 만들 수 있다는 사실이 밝혀지면서(Kozai et al., 1995) 순화과정에 서 배양기내의 환경조절에 관심이 모아지기 시작했다.

    Microponic system은 micropropagation과 hydroponics 을 조합한 식물생산체계로서 조직배양단계에서 기내배양 조작의 어려움, 기내에서 연약한 식물체로 자라야 하는 단점, 대량증식의 어려움 등을 극복하기 위해 개발되었 다(Hahn and Lee, 1996). Hahn et al.(1998)은 복잡한 기내 환경을 단순화시키고 자연환경에 접근하기 위해 조 직배양과 수경재배를 결합시킨 microponic system을 도 입함으로써 조직배양에서 할 수 없었던 신초의 발근과 생장, multiplication과정까지 한 번에 진행시켜 기내배양 보다 더 건강하고 튼실하고 빠른 생장을 보이는 소식물 체를 생산하게 된다고 한다. 한편 Akita and Takayama (1994)는 감자 줄기 생장이나 종서 형성이 액체 배양에 서 잘 형성되지 않는다고 보고하였는데 그것은 액체배지 에서 줄기가 전체에 잠겨있게 되어 배지 내 무기성분이 감자줄기 절편에 직접적 영향을 주기 때문이라고 하였다. 또한 정단부로 가면서 식물체 모든 기관 재분화에 유리 할 뿐 아니라 치상체의 마디수도 기관 재분화에 영향을 미치는 것으로 알려졌다(Hwang and Lee, 2007). 따라서 목적하는 식물체에 따라 배양방법, 기내 지상부와 지하 부 환경 조건을 제공하는 것이 필요하다.

    본 실험에서는 기내 배양 생력화를 위한 기초자료를 얻고자 microponic system을 위한 액체 무당 배양 시 배지의 무기성분 농도가 감자 소식물체에 미치는 생육 특성을 조사하여 microponic system에 적합한 배양액 농 도를 구명하고자 수행하였다.

    재료 및 방법

    공시품종은 감자칩용으로 개발된 신품종 ‘새봉’으로, 국 립식량과학원 고령지 농업연구센터로부터 2013년 1월 7 일 생장점 배양된 조직배양 묘를 사용하였다. 감자배양액 (Table 1)의 농도를 0.2, 0.6, 1.0, 1.4, 1.8, 14.0d·Sm−1으 로 조절하고 치상체는 조직배양묘의 생장점과 엽을 2개 포함한 길이 1~1.5cm로 50mL 유리병(glass vial)에 1개 씩 치상 하였다. 배양액은 용기 당 2mL씩 넣고 10일 후 1mL를 첨가하였으며 일장 16시간, 온도 23 ± 1°C, 40μmol·−2·s−1의 white LED광 하에서 실시하였다. 실험 I 은 배양액의 전기전도도를 0.2, 1.0, 14.0·dS·m−1으로 2013년 11월 22부터 12월 10일까지 18일간 수행하였다. 실험 II는 배양액의 전기전도도를 0.6, 1.0, 1.4, 1.8dS·m−1 으로 조절하여 2013년 12월 15일부터 2014년 1월 06일 까지 21일간 실험Ⅰ과 같은 조건으로 수행하였다. 생육조 사는 첫 뿌리가 보이는 시기와 전체적인 뿌리 발생 특성, 생존률, 줄기 길이, 마디 수, 엽수, 생체중 등을 하였다.

    통계분석은 SAS version 9.1(SAS Institute Inc., Cary, NC, USA)를 이용하였으며, 평균과 표준오차를 구하여 p < 0.05 수준에서 Duncanís multiple range test를 실시하였다.

    결과 및 고찰

    실험I 에서 배양액 농도를 달리하여 생육된 감자소식 물체 정식 7일 후 생존률은 0.2dS·m−1에서 90%, 1.0dS·m−1에서 100%인 반면 14.0dS·m−1에서는 0%를 나 타냈다(Fig. 1). 1.0dS·m−1에서는 처리 2일 후 뿌리가 관 찰되었고 4일 째는 뿌리 발달과 함께 잎과 줄기 생장이 100% 관찰 되었다. 0.2dS·m−1은 치상 3일 후 첫 뿌리가 관찰되었으며 8일째 모든 뿌리가 생장하면서 지상부 생 육도 이루어 졌으나 낮은 무기성분 농도로 인해 생장 속 도가 낮으면서 양분 부족현상이 관찰되었다. 0.2dS·m−1에 서 치상 3일 후부터 생장속도가 1.0dS·m−1에 비해 현저 히 늦어져 6일째는 큰 차이를 관찰할 수 있었다(Fig. 2a). 한편 14.0dS·m−1에서는 3일 후 치사되기 시작하여 5일 후에는 반복처리 구에서 0%의 생존률을 보여 주었 다. 생존률이 처리 구에 따라 현저한 차이를 보이는 것 은 배양액의 농도 때문이라고 생각할 수 있다. 100% 식 물체가 고사한 14.0dS·m−1에서는 발근과 식물이 생장하 기에는 적합하지 않은 농도이며 식물은 강한 스트레스로 인하여 생장을 하지 못하고 죽게 된 것이다. 고체배지에 서는 줄기 절단면을 통해 배지 성분이 들어가지 않아 무기질 농도가 높은 MS배지를 사용해도 감자줄기는 잘 생장하지만 액체배지의 경우 높은 농도의 배지 성분은 줄기 절편을 통해 세포로 흡수된 다음 삼투현상에 의해 수분이 배출되어 세포들이 피해를 받을 수 있으므로 줄 기 생장에 해가 없는 적정 농도의 액체배지를 이용해야 한다고 보고 한 바 있다(Kim et al., 2009). 생체중과 줄 기 길이는 1.0dS·m−1처리구가 0.2dS·m−1에 비해 높았다 (Table 2). 1.0dS·m−1에서는 2일 후 바로 뿌리 발육이 시 작되었으며 18일 후에는 지하부의 발육에서 현저한 차 이를 보여 주었다(Fig. 2b). 치상체의 생장은 생장점과 2 개 엽을 포함하여 기립시켜 정식함으로서 감자소식물체 의 생존을 유지하였으며 그 결과 1.0dS·m−1에서 생육이 가장 좋았음을 알 수 있었다. 액체 배양의 경우 치상체 가 배지에 잠기면 줄기 생장이나 종서형성이 잘 되지 않는 다고 보고 하였다 (Akita and Takayama, 1994). 그러므로 배지의 농도와 치상체의 접종상태, 접종 수량 에 따른 밀도 등을 액체 배양 시 고려해야 할 중요한 요인이라고 하였다(Kim et al., 2009). 본 실험에서는 초 기 유리병에 배양액을 2mL씩 공급하고 10일 후 1mL를 첨가함으로써 식물체가 담수되지 않도록 처리 하였다.

    실험 II에서는 0.6, 1.0, 1.4, 1.8dS·m−1으로 배양액 농 도를 조절하였으며 실험 I의 재료인 생장점이 포함된 마 디가 아닌 엽이 2개 포함된 중간마디를 사용하였다. 그 것은 한 식물체에서 영양번식체로 사용할 수 있는 개체 수가 생장점을 포함한 정단부보다 중간마디가 더 많기 때문이다. 생존률은 0.6dS·m−1에서 100%, 1.0dS·m−1에서 100%, 1.4dS·m−1 은 0%, 1.8dS·m−1은 0%였다. 0.6, 1.0dS·m−1에서는 4일 후 뿌리 발육이 되어 생장하였으며 21일 후 줄기길이, 엽수, 생체중 등에서 크게 차이를 보 이지 않았다(Table 3, Fig. 2c). 그러나 1.8dS·m−1에서는 3~5일 사이에 모두 치사함으로서 식물체가 생육할 수 없는 배양농도임을 알 수 있었다(Fig. 2d). EC 1.4 dS·m−1에서는 반복처리 중 50%는 10일~15일 째 치 사하였고 나머지도 뿌리 발육이 진행되지 않았고 지상부 의 생육도 원만하지 않아 녹색을 겨우 유지하는 정도로 생장이 저조하였다(Fig. 2d). 보통 감자 수경재배에서는 EC 1.5~2.0(dS·m−1)으로 맞추어 재배한다. EC 1.4dSm−1, 1.8dS·m−1 은 감자배양액의 농도가 높다고 할 수 없다. Microponic system에서 재배는 조직배양의 다음 단계로 서 완전한 뿌리를 통한 흡수가 아니기 때문에 자른 부 위를 통하여 흡수된 배양액이 식물세포에 직접 흡수되어 식물체를 치사시킨 것이다. 한편 실험 I보다 첫 뿌리 발 생일이 늦어진 것은 정단부위가 아닌 절간을 사용하였기 때문이라고 볼 수 있다. 이것은 정단부로 가면서 식물체 모든 기관 재분화에 유리하다는 Hwang et al.(2008)의 보고와 같다. 본 실험은 microponic system으로서 순화 시 Shoot가 독립영양체로 재생하기 위한 당 합성 부위 인 잎을 붙이고 재배함으로써 CO2를 공급받기 위해 유 리병의 상층을 완전 개봉함으로써 식물의 순화능력을 키 웠다. 광합성에 필요한 식물절편의 최소면적은 약 20mm2정도이면 충분하다고 보고되었다(Kozai et al., 1995). 배지 중 당이 포함되어 있으면 기내 식물체는 그 당을 흡수하여 엽중당 또는 전분 농도가 높아져 Rubisco의 활성이 저하되며 결과적으로 광합성을 저하하 는 원인이 되기도 한다(Kozai et al., 1995). 정상적인 생 육을 하는 식물에서는 녹색 잎이 광합성을 진행하면 엽 중 Rubisco의 활성이 높아지고 잎이 광합성을 통해 만 들어진 당 및 전분의 20%정도를 아래쪽으로 수송하여 뿌리형성에 소비한다(Kozai et al., 1995). 광합성이 촉진 되어 식물이 정상 발육하게 되면 비타민, 아미노산, 호 르몬 등의 첨가가 필요하지 않고 당의 첨가로 오염에 기인하는 식물체손실을 최소화 할 수 있게 된다. 잎으로 부터 광합성을 진행하면 당이 지하부로 이동하여 뿌리 형성을 한다는 주장이 Kumar and Wareing(1973)에 의 해서도 제기 되었다. 처리 21일째 감자 소식물체의 줄기길 이, 엽수, 지상부생체중도 0.6dS·m−1와 1.0dS·m−1에서 유의 차는 인정되지 않았으나 뿌리 출현률은 EC 1.0 dS·m−1에서 4.4일로 EC 0.6dS·m−1처리구보다 3.7일 빨랐다(Table 3).

    1차, 2차 실험결과 microponic system을 위한 배양액 의 농도가 감자 소식물체의 생육과 발근형성에 영향을 준다는 것을 알 수 있었으며, 1차 2차 실험을 통하여 감 자소식물체의 생육은 EC 0.6~1.0dS·m−1의 액체배양액 농도를 사용하는 것이 적절하다고 판단되었다. 무병주 대량생산시스템을 도입할 경우 1~2엽을 확보한 생장점 또는 절간부위를 사용하며 치상체 고정방식시스템과 치 상밀도 등 microponic system의 환경조건에 대한 구명이 더 필요하다.

    적 요

    감자 가공용 신품종‘새봉’의 무병주 대량생산을 위하여 microponic system에서 배양액의 농도변화가 감자 소식물 체 생육에 미치는 영향을 구명하고자 수행 하였다. 조절한 감자 배양액의 농도는 EC 0.2, 0.6, 1.0, 1.4, 1.8, 14.0dS·m−1수준 이었으며 감자 조직배양묘는 생장점과 잎 을 2개 포함한 1.5cm길이로 잘라 50mL 유리병(glass vial) 에 1개씩 치상하여 18일, 또는 21일간 2회에 걸쳐 하였다. 배양액 량은 용기 당 2mL씩 넣고 10일 후 1 mL를 첨가 하였으며, 환경조건은 일장 16시간, 온도 23 ± 1°C, 40mmol−2·s−1의 백색 LED에서 실험 I의 배양액농도는 EC 0.2, 1.0, 14dS·m−1였으며, 실험 II의 배양액농도는 0.6, 1.0, 1.4, 1.8dS·m−1로 조정하였다. 치상 7일 후 소식물체의 생 존율은 0.2dS·m−1에서 90%, 0.6dS·m−1에서 100%, 1.0dS·m−1에서 100%, 1.4dS·m−1에서 0%, 1.8dS·m−1에서 0%, 14.0dS·m−1에서 0% 이었다. 배양액의 전기전도도를 1.0dS·m−1으로 조절한 처리에서 이식 2일 후 뿌리가 발육 되어 소식물체 생육이 왕성하게 생장하여 18일 만에 7개 의 엽, 길이 5cm, 생중 0.5g이상의 식물체로 생육하였다. 배양액의 농도를 0.6dS·m−1으로 조절한 처리에서는 이식 4일 후부터 뿌리가 발육되어 21일 후 5개의 엽, 길이 4cm, 생중 0.2g을 가진 식물체로 생육하였다. 따라서 microponic system에서 무병 감자 묘 대량생산을 위해서는 감자배양액의 전기전도도를 0.6~1.0dS·m−1 조절하여 관리 하는 것이 효과적임을 알 수 있었다.

    추가 주제어 :외식체, 감자액체배양, 미세번식, 수경재배, 전기전도도, 조직배양묘

    Figure

    KSBEC-23-144_F1.gif

    Effect of nutrient solution levels on survival rate of potato plantlet.

    KSBEC-23-144_F2.gif

    Effect of nutrient solution growth and rooting of potato plantlet. (a: Growth of potato plantlet at 6 days after liquid culture, b: Growth of potato plantlet at 18 days after liquid culture, c: Growth of potato plantlet at 21 days after liquid culture, and d: Growth of potato plantlet at 21 days after liquid culture).

    Table

    The composition of the nutrient solution used this experiment.

    Effect of nutrient solution levels on growth and rooting of potato plantlet at 18days after treatment.

    zMean separation within columns by Duncanís multiple range test at P = 0.05.

    Effect of nutrient solution levels on growth and rooting of potato plantlet at 21days after treatment.

    zMean separation within columns by Duncanís multiple range test at P = 0.05.

    Reference

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