Development of tissue culture system of interspecies hybrid Panax ginseng x Panax quinquefolius

Abstract

Panax ginseng C. A. Meyer (PG) and Panax quinquefolius L. (PQ) have been widely used as medicine and functional food material. They are closely related allotetraploids with slightly different ginsenoside profiles. Interspecies hybrid (Hybrid) between PG and PQ shows inter-species hybrid vigor for growth rate and ginsenoside contents. However, the interspecies hybrid is sterile with immature pollen grains. To overcome infertility of interspecies hybrid lines, we developed multiplication tissue culture system from one immature berry of the hybrid plant. We induced various tissues such as callus, adventitious root, somatic embryo and hairy root by providing optimal composition of plant growth regulators (PGRs) and the medium. We successfully induced multi shoots from the somatic embryo and complete plantlets. The Hybrid showed more vigorous growth of adventitious root culture compare to its parental species. The fresh weight of the Hybrid was 1.58 and 2.06 times higher than PQ and PG, respectively. Agrobacterium rhizogenes-mediated transformation induced hairy roots of the Hybrid and it grew approximately 2.49 times faster even though without the supplementation of PGR when it compared to the adventitious roots grown with the supplement of PGRs. We confirmed the interspecies hybrid by applications of chloroplast unique markers and nuclear SSR markers. The hybrid has 45 kinds ginsenosides which have most kinds of PG-unique and PQ-unique ginsenosides. This study will serve a platform for ginseng breeding and ginseng industry based on the inter species hybrid.

고려인삼 (Panax ginseng C. A. Meyer, PG) 과 미국삼 (Panax quinquefolius L., PQ) 은 의약 및 기능성 식품의 원료로써 널리 사용되어 왔다. 이들은 이질사배체로써 계통발생관계가 가깝고 서로 다른 종류와 함량의 진세노사이드를 함유하고 있음이 연구되어 왔다. Hybrid 는 PG 와 PQ 의 종간 교잡종 이기 때문에 부모보다 더 높은 생장률과 진세노사이드 함량을 보이는 잡종강세의 특징을 가지고 있으나, 정상적인 화분 발달이 되지 않아 불임의 표현형을 나타낸다. 본 연구에서는 이러한 특성을 가진 Hybrid 개체를 유지하고 불임을 극복하기 위한 방법을 모색하였다. 그래서, 하나의 Hybrid 미성숙 열매로부터 우리는 캘러스, 부정근, 체세포배 그리고 모상근과 같은 다양한 조직들로 성공적으로 유도하였고 각각의 조직을 유도하기 위한 적정 배지 조건을 확립시켰다. 특히 부정근 배양에서 Hybrid 는 PG 와 PQ 보다 각각 2.06 배 와 1.58 배 높은 생장률을 보였다. 또한, Hybrid는 Agrobacterium rhizogenes 를 매개한 형질전환을 수행하였을 때 식물생장조절제를 처리한 배지 조건 내에서 형질전환된 모상근이 부정근 보다 약 2.49 배 높은 생장률을 보였으며, 식물생장조절제가 없는 조건에서도 그 생장률이 유지되었다. 이 뿐만 아니라, 핵 그리고 엽록체로부터 유래된 마커들을 사용하여 Hybrid 의 부모종을 명확하게 구별해 내었고, UPLC-QTF/MS 를 통해 Hybrid, PG 그리고 PQ 의 진세노사이드 구성을 비교함으로써 Hybrid 가 PG 와 PQ 보다 더 많은 45개의 의 진세노사이드를 함유하고 있음을 확인하였다. 결론적으로, 본 연구는 배지에 식물생장조절제들을 달리 처리하여 다양한 조직들을 배양하는 시스템을 확립시켜 우수한 Hybrid 라인을 유지하기 위한 플랫폼을 제공하고자 하였으며, Hybrid 는 높은 생장 속도와 다양하고 많은 함량의 진세노사이드를 함유하고 있다. 따라서 단위 질량당 진세노사이드의 획득량을 높임으로써 앞으로 인삼 산업에서 인삼함유제품의 지표성분인 진세노사이드의 함량기준치를 보완해주어 품질 향상에 큰 역할을 할 수 있을 것이라고 제안한다.