서 론
재료 및 방법
배양묘 생산
포트 육묘
배양묘 정식
저온저장
맹아 된 씨감자(G0) 정식
결과 및 고찰
포트이식 후 배지별 배양묘 생육 비교
배양묘 유래 씨감자(G0) 생산에 미치는 광질 효과
간헐적 액체배양에 의한 배양묘 유래 기본종 씨감자(G0) 크기가 G1 씨감자 생육에 미치는 영향
적 요
서 론
우리나라에서 식량작물로 분류되는 감자는 2023년 재배면적은 22,525 ha이며 생산량은 548,564톤이었다(KREI, 2024). 정부를 통해 공급된 씨감자는 5,370톤(감자종자진흥원. 2024)으로 씨감자 소요량을 10a당 150 kg으로 보았을 때 민간업체 공급량을 제외하면 씨감자 갱신율은 15.9%로 추정된다.
무병묘를 보급하기 위한 씨감자는 조직배양, 기본종, 기본식물, 원원종, 원종 그리고 보급종 단계를 통해 증식(Kim et al., 2003)된다. 농가에 보급된 씨감자는 일반적으로 5년 이상 증식과정이 필요하므로 정부의 엄격한 관리 하에서 진행되어도 기본종에서 세대가 진전될수록 씨감자의 오염율은 증가될 것이다.
지금까지 바이러스에 감염되지 않은 감자의 조직배양묘나 기본종(G0) 증식을 위해서는 기내소괴경 증식법(Joung, 1989; Yiem et al., 1990)이나 경삽법(Bryan et al, 1981; Hamann U., 1974), 양액재배법(Kim et al., 1993; Kang et al., 1996)이 이용되었으나 최근 생산성이 가장 높은 분무수경법이 정부의 씨감자 생산체계로 확립되었다(Kang et al., 2006; Jo et al., 2020).
조직배양에 의한 배양묘 증식은 무병 식물의 신속한 생산, 희귀종의 증식, 식물의 유전자 변형 및 식물 유래의 생리활성 화합물의 생산에 효과적인 방법이다(Routet al., 2000; Espinosa-Leal et al., 2018). 반고체배지를 이용하는 기존의 조직배양은 배지의 영양소가 고갈되어 4~6주마다 새로운 배지로 옮겨야하기 때문에 노동 집약적이고 비용이 많이 들어(Maene and Debergh, 1985) 대량생산 시스템으로는 한계가 있어 대안이 필요하다.
여러 가지 액체배양 시스템 중에서 간헐적 액체배양 시스템(temporary immersion bioreactor system, TIS)은 배양된 식물 조직인 절편체가 액체 배지에 주기적으로 침지와 배수를 반복하도록 설계되어 식물 조직을 멸균된 기체 환경에 노출시키도록 한다. 이때 공기 펌프와 솔레노이드 밸브를 사용하여 배지를 순환시키고 공기를 배출한다(Murthy et al., 2023). Uma et al. (2021) TIS를 이용해 바나나 배양묘를 생산한 연구에서 반고체배지와 비교했을 때 2.7배 높은 생산성을 올렸으며 TIS로 생산한 배양묘는 엽록소, 카로티노이드, 기공 지수 등도 우수하였으며 유전적으로 안정적이었다고 보고했다.
양액재배를 이용한 씨감자 생산은 품종에 따른 편차가 심하고, 양액오염의 가능성이 있으며, 피목이 비대해지는 단점이 있으며(Kim et al., 2003), 경삽에 의한 증식은 순화와 삽수 채취과정에서 오염에 노출되기 쉽고 발근과정이 필요하므로 생산기간이 길어질 수 있다(Jo et al., 2020). 따라서 본 연구는 건전 배양묘 대량생산이 가능하며 순화와 발근과정이 별도로 필요하지 않아 씨감자 생산기간을 단축할 수 있는 생물반응기를 이용한 TIS에 의해 배양묘를 생산하고, 배양묘로부터 유래한 기본종 씨감자(G0)의 크기에 따른 다음 세대 씨감자(G1)의 생육 및 괴경 분포를 비교하여 씨감자 생산에 필요한 적정 씨감자(G0) 크기를 구명하고자 한다.
재료 및 방법
배양묘 생산
고체배지에서 4주 정도 자란 감자 ‘수미’, ‘추백’ 기내 배양묘를 1마디씩 절단하여 절편체로 사용하였으며 절편체 80개를 3 L 생물반응기에 일시에 치상하여 4주간 배양한 후 배양묘로 이용하였다. 고체배지와 액체배지는 동일하게 2/3 MS에 2% 설탕을 첨가하여 pH를 5.6으로 조정하였으며, 고체배지는 0.8% 한천을 첨가한 후 고온고압(121℃, 15분)에서 멸균하여 사용했다. 생물반응기는 CIRAD사 MATIS®제품을 사용했으며 시간당 10분씩 1 L의 배지를 컴프레서를 이용하여 간헐적으로 공급하였다. 배양실 환경은 온도 22±1℃, 습도 60%, 적색광과 청색광이 2:1로 구성된 LED 광원을 통해 광량은 50 PPFD로 유지되었다.
포트 육묘
간헐적 액체배양으로 자란 배양묘는 수확 후 순화과정 없이 상토가 채워진 직경 6 cm 이식포트에 심어 식물생장상에서 4주간 재배하였다. 생육환경은 주야간 온도는 각각 21/19℃, 습도는 60%를 유지하였으며 광주기는 주야간 각각 16/8시간, 광량은 50 PPFD로 하였다. 광질 효과를 규명하기 위해 ‘수미’의 경우 RGB-LED (B:R=1:1)광과 백색광(B:R=2:1)을 비교실험을 하였으며 ’추백‘은 백색광에서 재배하였다. 관수는 격일로 두상관수 하였다.
배양묘 정식
포트에 이식하여 4주간 재배한 포트 묘는 2023년 10월 5일 3/4정도 상토를 채운 플라워박스(50×19×15 cm)에 5주 씩 심어 여주 흥천면 소재 유기농농장 비닐하우스에서 재배하였다. 육묘용 상토는 비료성분이 거의 없으며 이후에도 추비를 하지 않았다. 물 관리는 토양표면이 마르면 두상관수로 하였으며 북주기는 복지가 착생했을 때와 괴경 비대기 때 2회 실시하였다.
줄기가 눕고 하엽이 고사하고 전체적으로 잎 색이 황화 됐을 때 괴경을 수확(2024년 12월 7일)하였다.
저온저장
수확한 괴경은 흙만 털어 검은 비닐 백에 넣어 밀패 하지 않고 4~10℃로 유지되는 냉장고에 보관하여 이듬 해 정식(2024년 3월 20일)할 때까지 저장하였다.
맹아 된 씨감자(G0) 정식
옥수수를 녹비재배 하여 갈아 업은 토양에 미생물제제를 살포하여 부식을 촉진한 후 정식할 이랑을 만들어 비닐멀칭 하였다. 저온저장 중 맹아된 씨감자는 짧은 직경을 기준으로 대(G0-L), 중(G0-M), 소(G0-S)로 구분하였다. ‘수미’ 품종의 S-G0-L은 >4 cm, S-G0-M은 3.9~2 cm, S-G0-S는 <2 cm이며, ‘추백’ 품종은 ‘수미’에 비해 씨감자(G0) 크기가 작아 C-G0-L은 3.1~2.2 cm, C-G0-M은 2.1~1.5 cm, C-G0-S는 <1.5 cm로 분류하였다.
정식은 주간 간격 40 cm, 깊이 10 cm 내외로 심었으며 추비는 하지 않았다. 관수는 두상관수로 하였고 개화 후 1회 복토하였다. 씨감자(G0) 재배기간 인근지역의 기온과 광량은 Fig. 1과 같았다. 정식 후 90일 지나 수확하였으며 초장과 분지 수, 줄기직경, 괴경 수, 괴경무게를 측정하여 생육을 비교하였다.
배양묘에서 유도된 씨감자(GO) ‘수미’, ‘추백’에 대해 크기별로 각각 3처리 했으며 각 처리는 10주씩 3반복으로 심었다. 생육조사에 대한 통계처리는 SAS 프로그램(기업 Version)을 이용하여 t-test 및 Duncan 다중검정을 p ≤ 0.05수준에서 유의성을 분석하였다.
결과 및 고찰
포트이식 후 배지별 배양묘 생육 비교
4주 기내배양 후 고체배지 유래 배양묘와 간헐적 액체배양에 의한 배양묘를 직경 5 cm 포트에 토양 정식하여 10일 후 뿌리 활착과 하엽 고사를 비교하였다. 고체배지 배양묘는 모두 하엽이 고사 되거나 시들었으며 간헐적 액체배양 묘에 비해 새로운 뿌리 발생율도 낮았다(Fig. 2). 간헐적 액체배양에 의한 묘는 배양과정에서 배지 없이 공기에 노출되는 과정에서 경화를 겪어 묘가 단단해지고 발근도 양호했던 것으로 추측된다. 결과적으로 순화과정 없이 배양묘를 토양에 정식할 수 있어서 전체 씨감자 생산 기간을 단축시키는데 기여할 수 있을 것이다.
배양묘 유래 씨감자(G0) 생산에 미치는 광질 효과
‘수미’ 배양묘를 포트에 이식하여 4주간 배양할 때 RGB 파장과 백색광에 의한 영향을 비교하였다. 백색광(R:B=2:1)에서 자란 묘의 초장과 지상부 생체중이 RGB 광(R:B=1:1)에서 자란 것보다 더 우세하였으며 괴경 수와 괴경무게도 더 많았지만 유의성은 없었다(Table 1). 적색광의 비율이 높았던 백색광이 지상부 생육을 촉진 했으며 그 결과로 더 많은 동화산물이 저장기관인 괴경의 생육을 양호하게 했을 것이다. RGB광은 청색광의 영향 때문인지 초기부터 신장생장이 억제되어 절간이 짧은 특징을 보였으며 괴경 착생은 빨랐으나 괴경 수가 많지 않았다(Fig. 3). 일반적으로 가시광선 범위에 있는 청색광은 굴광성 외에 하배축의 신장 저해와 기공 개폐, 플라보노이드, 안토시아닌 합성 촉진 등으로 식물의 형태형성과 생육에 직접적인 영향을 주는 것으로 알려져 있다(Johkan et al., 2010). Wang 등은 청색광 하에서 대두 하배축과 목부의 단면적은 더 크고, 속세포의 세로 길이는 더 짧았으며, 하배축의 신장이 억제되었고, 직경은 증가했는데 이는 청색광이 샐룰로즈와 같은 세포벽 구성물질 합성 및 자당 합성을 상향조절하거나 리그닌 합성을 촉진한 결과라고 보고(Wang et al., 2023)하였다.
Table 1.
Effects of red and blue light ratio on the growth of ‘Sumi’ basic seed potatoes (G0).
간헐적 액체배양에 의한 배양묘 유래 기본종 씨감자(G0) 크기가 G1 씨감자 생육에 미치는 영향
포트에 육묘했던 배양묘를 5주씩 플라워박스에 정식하여 8주간 재배 후 수확했을 때 기본종 씨감자(G0)의 크기가 고르지 않아서 G1씨감자 생산에 적합한 크기를 규명할 필요가 있었다. 평균적으로 ‘추백’에 비해 ‘수미’의 기본종 씨감자(G0) 크기와 눈의 크기가 더 컸으며 품종별로 대(G0-L), 중(G0-M), 소(G0-S)로 구분하였다.
기본종 씨감자(G0) 크기가 G1씨감자의 지상부 생육에 미친 결과는 다음과 같다. ‘수미’ 품종의 경우, 괴경의 짧은 직경이 3~2.1 cm인 S-G0-M이 4 cm 이상인 S-G0-L보다 초장은 길었지만 측지 수와 줄기 직경은 유의차가 없었다(Table 2). 맹아는 S-G0-L가 빨랐으나 5월부터 기온이 오르고 일사량이 좋아지면서 S-G0-M의 생장이 급속히 빨라져서 S-G0-L과 비슷해 졌다. 세대가 진전된 씨감자(G4~5)의 경우 맹아 된 눈이 많아 결과적으로 줄기가 많아져서 과도한 지상부 생장을 초래하기도 하는데 본 실험의 모든 씨감자에서는 1개의 눈만 맹아 되어 자라다가 본줄기에서 측지가 분지되었다. S-G0-S의 지상부 생육은 초장과 측지 수는 S-G0-L과 비슷하였으나 줄기직경은 가장 적었다(Fig. 4B).
‘추백’ 품종은 씨감자(G0) 직경이 3.1~2.2 cm인 C-G0-L과 2.1~1.5 cm인 C-G0-M의 초장과 측지 수는 비슷하였으나 줄기 직경은 C-G0-L이 C-G0-M보다 더 우세하였으며 1.5 cm 이하인 C-G0-S의 지상부 생육은 가장 부진하였다(Table 2). ‘추백’은 품종의 특성상 ‘수미’에 비해 맹아도 10일정도 빨랐으며 생육초기 평균 기온이 10℃ 이하인 저온 환경에서도 지속적으로 생육하였다. ‘수미’ 품종과 비교했을 때 초장과 측지 수는 ‘추백’이 우세하였으나 줄기직경은 ‘수미’ 품종이 더 유의미하게 우세하였다(Fig. 4A, C). 정식 후 90일 만에 수확이 가능한 ‘추백’은 수확 전부터 잎이 고사하고 줄기가 모두 누운 상태였으나, 정식 후 110일 이후 수확이 가능한 ‘수미’는 90일 만에 수확했기 때문인지 잎은 녹색부분이 많이 남았으며 줄기는 수확 1주일 전부터 눕기 시작해서 동화양분이 지하부로 충분히 이동하지 못했을 것이다.
Table 2.
Comparison of yield and growth of seed potatoes (G1) based on basic seed potatoes (G0) size in the ‘Sumi’ and ‘Chubaek’ seed potato production process.
Seed tuber (G0) |
No. of blanch |
Stem diameter |
Plant height |
Fresh weight of tuber |
Average weight of tuber* |
No. of tuber |
No. of tuber by size (plant)** | |||
(size) | ( plant ) | (mm/plant) | (cm/plant) | (g/plant) | (g/plant) | (plant) | L | M | S | |
Sumi |
L (>4 cm) | 4.7±0.38a | 160.4±3.43a | 65.1±1.95a | 1060.6±72.63a | 146.4±7.38a | 7.93±0.92a | 1.13a | 2.10a | 4.70a |
M (3~2.1 cm) | 4.5±0.34a | 160.6±2.88a | 71.5±2.91a | 995.1±96.92a | 142.4±6.85a | 7.33±1.03a | 1.00ab | 1.83a | 4.50a | |
S (<2 cm) | 4.7±0.28a | 147.5±7.1a | 65.3±2.9a | 803.6±69.07a | 134±5.98a | 6.10±0.47a | 0.47b | 1.77a | 3.87a | |
Chubaek |
L (3.1~2.2 cm) | 4.8±0.23a | 139.1±8.09a | 72.9±2.19a | 1085.2±74.69a | 162.9±22.9a | 6.89±0.5a | 1.83a | 1.15a | 3.90a |
M (2.1~1.5 cm) | 4.7±0.64a | 133.5±5.09a | 71.7±4.4a | 897.1±108.52ab | 139±10.12a | 6.67±0.32a | 0.79ab | 2.00a | 3.89a | |
S (<1.5 cm) | 4.2±0.36a | 122.7±3.65a | 61.8±2.74a | 645.2±2.87b | 112.9±3.53a | 5.60±0.55a | 0.46b | 1.06a | 4.09a |
기본종 씨감자(G0) 크기별 G1씨감자의 괴경 생육 결과는 다음과 같다. ‘수미’ 품종의 경우 주당 괴경 생체중은 S-G0-L이 1060.6 g으로 995.1 g인 S-G0-M보다 높았으나 유의한 차이는 나지 않았으며 S-G0-S는 803.6 g으로 유의하게 낮았다(Fig. 5A). G1의 주당 평균 생체중(생체중/괴경수)을 비교하면 S-G0-L와 S-G0-M은 각각 133.7 g과 135.7 g으로 기본종 씨감자(G0) 직경이 3~2.1 cm인 S-G0-M은 괴경수나 생체중이 양호하여 S-G0-L과 함께 G1씨감자 생산에 이용될 수 있다고 판단된다. G1의 주당 괴경 수는 기본종 씨감자(G0)의 크기순서대로 7.9, 7.3, 6.1개였으며 350 g 이상으로 분류되는 대형 감자의 수는 S-G0-L이 S-G0-M보다 많았으나 유의성은 없었다(Fig. 5B). 200 g 이하로 분류되는 소(S)형 감자 수가 모든 처리에서 가장 많았는데 이는 수확기가 빨라서 괴경비대 기간이 충분하지 않았던 때문으로 추정된다(Fig. 5C).
‘추백’의 괴경 생산성은 주당 괴경수는 C-G0-L과 C-G0-M이 6.89개와 6.67개로 유의한 차이가 없으나 생체중은 1,085 g으로 C-G0-L이 C-G0-M보다 유의하게 높았다(Fig. 5B). 이것은 C-G0-L이 350 g 이상의 대형 괴경이 1.83개로 더 많았기 때문이며 괴경수가 가장 많은 ‘수미’보다도 높게 나타났다(Fig. 6D) C-G0-L은 초기생육도 빨랐고 수확기 때도 잎의 황화와 고사가 뚜렷하여 동화양분이 괴경으로 충분히 전류된 결과로 추측된다. C-G0-L과 C-G0-M의 주당 평균 생체중(생체중/괴경수)을 비교하면 각각 157.5, 134.5 g (Table 2)으로 추백의 C-G0-M도 주당 생산성이 양호하여 C-G0-L과 함께 G1씨감자 생산에 이용될 수 있다고 판단된다.

Fig. 6.
Comparison of G1 tuber formation (large,-medium,-small)* of ‘Sumi’ and ‘Chubaek’ by basic seed potato (G0) size. A: tuber width >4 cm (S-G0-L), B: 2.1-3 cm (S-G0-M), C: <2 cm (S-G0-S) D: 2.2-3.1 cm (C-G0-L), E: 1.5-2.1 cm (C-G0-M), F: <1.5 cm (C-G0-S). (*Weight standard of G1: L (>350 g), M (350 g-200 g), S (<200 g).)
이상의 결과로 생물반응기를 이용한 간헐적 액체배양 유래 배양묘는 배양과정에서 뿌리도 동시에 발생(Fig. 1)하며 별도의 순화과정 없이 직접 토양에 정식할 수 있어서 전체 씨감자 생산 기간을 단축시키는데 기여할 수 있을 것이다. ‘수미’ 배양묘를 포트에 육묘하여 기본종 씨감자(G0)를 생산할 때 RGB 광(R:B=1:1)보다 적색광의 비율이 높았던 백색광(R:B=2:1)이 지상부 생육을 촉진 했으며 그 결과로 더 많은 동화산물이 저장기관인 괴경의 생육을 양호하게 했다. 수확한 ‘수미’와 ‘추백’의 G0 씨감자의 크기가 G1 씨감자 형성에 미치는 영향을 비교했을 때 주당 평균 괴경 생체중이 140 g 이상을 나타낸 S-G0-L과 S-G0-M, C-G0-L, C-G0-M이 G1 씨감자 형성에 적합하다고 판단되었다. ‘수미’에서는 직경 2 cm 이하, ‘추백’에서는 1.5 cm 이하로 분류됐던 S-G0-S, C-G0-S는 맹아 시기가 늦고 저온기 생장이 느려 생육이 불균일하게 나타났다.
본 생산시스템은 무병 기본종 씨감자(G0)를 생산하는데 기내배양기간 4주, 포트묘 이식기 3주, 정식 후 괴경 생육기간 6주를 합하여 총 13주, 91일이 소요됐으며 뿌리가 있는 10 cm 이상의 배양묘를 직접 토양에 정식하여 씨감자를 생산했기 때문에 오염 확률을 최소화할 수 있었다.
적 요
영양번식으로 증식되는 무병 씨감자(Solanum tuberosum L.)를 우리나라에서 보급하는 과정은 조직배양 단계를 포함해서 5단계를 걸쳐 이루어진다. 간헐적 침지 생물반응기 시스템(TIS)은 무병묘 대량증식을 위한 대안으로 부상하고 있으며 수목류를 포함해서 다양한 식물 종의 종묘생산에 이용되고 있다. 감자 ‘수미’와 ‘추백’의 씨감자 기간을 단축하기 위해 3 L 생물반응기에서 배양된 감자 배양묘를 순화과정 없이 직접 기본종(G0) 생산에 사용하였다. 수확한 괴경의 크기를 직경에 따라 ‘수미’는 S-G0-L (>4 cm), S-G0-M (2-3.9 cm), S-G0-S (<2 cm)로 ‘추백’은 C-G0-L (2.2-3 cm), C-G0-M (1.5-2.1 cm), C-G0-S (<1.5 cm)으로 분류하여 다음 세대(G1) 생육을 비교한 결과 두 품종 모두 대(S-G0-L, C-G0-L)와 중(S-G0-M, C-G0-M)으로 분류된 씨감자는 평균 괴경중이 140 g을 넘는 괴경을 생산하였다. 소군으로 분류된 기본종 씨감자(G0)들도 평균 괴경중이 110 g 이상인 씨감자(G1)를 생산하여, 씨감자 표준범위인 30~120 g 범위(Kang et al., 2001) 내에는 있지만 초기 생육이 불균일하고 괴경 분포 편차가 큰 경향을 보였다.
결론적으로 간헐적 침지배양(TIS)으로 배양묘를 대량생산하여 배양묘를 직접 씨감자 기본종(G0) 생산에 이용하면 씨감자 생산기간을 단축하고 G0에 가까운 건전한 씨감자를 농가에 보급하는데 기여할 수 있을 것이다.