식물을 이용한 대사공학은 다양한 기반기술이 필요하므로 식물체 또는 일부 기관을 재분화할 수 있는 조직배양 기술과 식물체내로 벡터를 전달할 수 있는 유전자 도입기술이 필요하다. 본 논문에서는 유용한 유전자가 도입된 형질전환 인삼체를 개발하는 것에 대해 설명하고 있는데, 인삼 육종에서 전체 사포닌 함량 또는 특정 사포닌의 함량이 증가되는 것이 중요한 것으로 알려져 있다. 이를 위해서 많은 연구들이 진행되었으며, 재분화 시스템 확립 및 사포닌을 대량생산하기 위한 부정근 형질전환체를 이용하는 연구를 소개하고 있다.
<h1>대사조절 공학을 위한 기반기술의 개발</h1><p>식물을 이용한 대사공학은 다양한 기반기술을 필요로 한다. 우선, 특정한 형질을 암호화하는 유전자를 식물체내로 도입시키기 위해서 식물의 다양한 절편체로부터 식물체 또는 일부 기관을 재분화할 수 있는 조직배양 기술이 확립되어야 한다. 그 다음으로, 암호화하는 유전자가 포함된 벡터를 성공적으로 식물체내로 전달할 수 있는 유전자 도입기술이 필요하다. 이러한 유전자의 도입을 위한 방법으로 유전자총 (gene gun 또는 paticle bombardment; Janick 2007)을 이용하거나 매개체로 Agrobacteriom 균주를 사용하여 식물체 재분화과정과 유전자 도입 과정을 거쳐 형질전환체를 개발할 수 있다. 인삼의 경우, 최초의 조직배양은 1983년 Furuya에 의해 보고되었으며, 그들은 인삼의 엽병에 2,4-dichlorophenoxyacetic acid 2,4-D를 처리하여 유도된 캘러스를 배양하여 인삼 사포닌을 생산하였다(Furuya et al. 1983). 그 이후로 Furuya 그룹은 캘러스에 Agrobacterium rhizogenes를 감염시켜 모상근을 성공적으로 유도하여 인삼 사포닌을 생산하였다 (Yoshikawa and Furuya 1987). 인삼에서 모상근 배양이 성공적으로 보고된 후, Choi 등 (2000)은 인삼의 캘러스로부터 모상근과 유사한 부정근 (hairy-like root)을 유도하여 사포닌을 생산할 수 있다고 보고하였다. 이러한 부정근은 생장조절물질에 의존한 생장 (plant growth regulator-dependent growth)을 하기 때문에 다양한 생장조절제를 이용한 생장 및 사포닌 함량 패턴을 조절할 수 장점을 가지고 있다. 이렇게 다양한 방법에 의해 유도된 재분화체 (regenerants)들을 이용한 형질전환 방법도 여러 그룹에서 연구가 진행되었다(Lee et al. 1995; Yang and Choi 2000; Chen and Punza 2002; Lin et al. 1995; Choi et al. 2003; Han and Choi 2009).</p><h2>식물체 재분화 기술</h2><p>재조합 DNA기술을 이용하여 유용 유전자가 도입된 형질전환 인삼을 개발하는 것은 미래 인삼산업이 한 단계 더 발전할 수 있는 계기가 될 수 있다. 특히 전체의 사포닌 함량이 증가되거나 특정 사포닌이 강화된 인삼 식물체를 생산하는 것은 인삼 육종에 매우 중요하다. 일반적으로 인삼은 조직 배양체로부터 식물체를 분화시키는 것이 어려운 것으로 알려져 있다. 주된 요인은 배양된 인삼 조직 유래의 재분화체로부터 뿌리가 형성되지 않거나 식물체 생장을 위해 필요한 뿌리가 충분하게 형성되지 않는다는 것이다 (Butenco et al. 1968; Chang and Hsing 1980, Shoyama et al. 1988; Arya et al. 1991). 따라서 재분화 시스템 확립은 형질전환 식물체를 생산하는 데 있어서 대단히 중요한 요소이다. 이러한 문제를 극복하기 위해서 체세포배발생에 의한 식물체 재분화에 대한 연구가 보고된 바 있다. 캘러스(Butenco et al. 1968; Chang and Hsing 1980) 및 자엽절편체(Choi and Soh 1997; Choi et al. 1998abc, 1999ab)로부터 유기된 체세포배는 뿌리와 줄기가 잘 발달된 정상적인 식물체로 분화되었다. Choi 등 (2001, 2003)은 인삼 형질전환 식물체를 효과적으로 생산하기 위해서 자엽유래 배발생 캘러스를 이용하여 체세포배를 유도하는 것이 이상적이지만, 자엽절편도 무난히 배양재료로 사용할 수 있고 배발생 캘러스 및 체세포배를 유도하기 위한 가장 적절한 재료 중에 하나라고 보고하였다. 수확 후 인삼 종자 내 접합자배는 아주 미숙하기 때문에 접합자배를 배양재료로 이용하기 위해서는 수개월간 저온 침적(moist-chilling treatment)처리를 하여 접합자배가 약 5\( \mathrm{mm} \)크기로 자란 후 이를 배양재료로 사용해야 한다(Kuribayashi and Ohashi 1971).</p><p>인삼은 다년생 식물로서 생육속도가 매우 느리다. 이러한 특성으로 인해 기내 (in vitro)에서 형질전환 식물체를 선발하고 증식하기까지 장시간이 소요된다. 이것은 단기간에 사포닌의 고생산과 생합성 관련 유전자의 기능분석 및 발현조절에 대한 연구가 신속하게 이루어지기 어려운 요인이 될 수 있다. 반면에 부정근 (adventitious root)은 indole-3-butyric acid (IBA)나 naphthalene acetic acid(NAA)와 같은 생장조절제만으로도 증식율이 높고 (Kevers et al. 1999; Choi et al. 2000), 증식을 위해 사용된 옥신(IBA 또는 NAA)이나 쟈스모네이트 (jasmonic acid 또는 methyl jasmonate)와 같은 phytohormone 처리에 의한 생장 촉진 (Kim et al. 2004) 및 이차대사산물의 합성조절 (Yu et al. 2002; Kim et al. 2004)이 가능하기 때문에 형질전환체의 라인선발 및 증식에 있어서 식물체를 이용하는 것에 비해 용이하다. 따라서 형질전환 부정근을 이용한 대사공학적 연구에 효과적으로 이용될 수 있는 장점을 가지고 있다(Lee et al. 2004; Han et al. 2006; Han and Choi 2009). 또한 생물반응기 배양기술을 이용한 부정근의 대량증식이 가능하기 때문에 부정근 형질전환체는 사포닌을 대량생산하기 위한 유용한 방법이라고 생각된다 (Yu et al. 2002).</p>