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Review

Korean Journal of Plant Resources. 1 October 2025. 505-516
https://doi.org/10.7732/kjpr.2025.38.5.505

Utilization of Plant In Vitro Culture for the Production of Secondary Metabolites

이차대사물질의 생산을 위한 식물 기내배양기술의 이용
Mi-Suk Seo1
,
Soyoung Park1
,
Kihun Ha1
,
Kongsik Shin2
서 미숙1
,
박 소영1
,
하 기훈1
,
신 공식2
1Researcher, Plant Biomaterials and Biotechnology Division, Department of Agricultural Biology, National Institute of Agricultural Sciences, RDA, Jeonju 54874, Korea
2Senior Researcher, Plant Biomaterials and Biotechnology Division, Department of Agricultural Biology, National Institute of Agricultural Sciences, RDA, Jeonju 54874, Korea
1국립농업과학원 농업생물부 식물소재바이오공학과, 농업연구사
2국립농업과학원 농업생물부 식물소재바이오공학과, 농업연구관
*Corresponding Author

License (open-access, http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/):

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

ABSTRACT

Plant tissue culture is one of the key biotechnological techniques for the stable and efficient production of plant secondary metabolites. Unlike conventional cultivation, plant tissue culture enables the large-scale production of these compounds without being affected by climate or environmental conditions. Numerous studies have been conducted to optimize this technique. In particular, callus induction, adventitious root culture, and hairy root culture using Agrobacterium rhizogenes have been employed to produce various bioactive secondary metabolites. These metabolites, derived from plant tissue cultures, have been applied in a wide range of industries, including food and cosmetics, and in the production of high-value pharmaceuticals such as taxol and camptothecin, which are known for their anticancer properties. This review aims to analyze recent trends in the production of secondary metabolites using various plant tissue culture techniques and to provide insights for the identification of high-value functional materials with strong industrial applicability.

Keywords
Adventitious root
Callus
Hairy root
Secondary metabolites
Tissue culture

MAIN

  • 서 언

  • 본 론

  •   식물 캘러스 배양을 통한 이차대사물질의 생산

  •   식물 부정근 배양에 의한 이차대사물질의 생산

  •   식물 모상근 배양에 의한 이차대사물질의 생산

  •   고부가 의약품 개발을 위한 식물조직배양 연구

  • 적 요

서 언

식물은 수많은 생리활성 화합물을 생산하는데, 단백질, 탄수화물, 지방 등 식물의 생장, 번식, 발달에 필수적인 일차대사물질(primary metabolites) 뿐만 아니라, 특정 생리적 기능과 방어 메커니즘에 중요한 역할을 하는 다양한 이차대사물질(secondary metabolites)을 생산한다(Choi et al., 2025a; Verpoorte and Memelink, 2002). 이차대사물질은 알칼로이드, 페놀류, 테르페노이드 등 약 200,000종 이상의 이차대사물질이 알려져 있으며, 이들은 항암, 항염, 항균, 항산화 등 다양한 생물학적 기능을 가지고 있어 식의약품, 화장품 등 중요한 산업적 소재로 활용되고 있다(Yonekura-Sakakibara and Saito, 2009). 그러나 이차대사물질은 대부분 자연 상태에서 낮은 농도로 존재하며, 수확 및 정제 과정이 복잡하고 환경적 요인에 민감하다고 알려져 있다. 이러한 한계를 극복하기 위한 대안으로 식물조직배양기술을 이용하여 이차대사물질을 생산하는 연구가 진행되어 왔다(Chandran et al., 2020; Karuppusamy, 2009). 생명공학 기술의 하나인 식물 조직배양기술은 잎, 줄기, 뿌리 등 다양한 식물 조직이나 기관 등을 무균 상태에서 인공배지에 배양하여 원하는 형질이나 물질을 생산하는 기술이다. 조직배양 기술은 재현성이 뛰어나고, 병해충에 대한 저항성이 높으며, 기후 및 계절에 관계없이 연중 생산이 가능하다는 장점을 가지고 있다(Wu et al., 2021). 따라서 조직배양기술을 이용하여 희귀자원이나 멸종 위기 자원을 보존하거나 무병묘를 생산하기 위한 목적으로 활용되거나 유전적으로 동일한 개체를 획득하기 위한 반수체 배양, 이형 세포 융합을 위한 원형질체 배양 및 유용 유전자의 형질전환을 통한 형질 개량 등의 목적으로 다양하게 활용되고 있다(Flores et al., 2008). 또한 산업적 활용도가 높은 유용 물질의 경우, 원료 생산 시스템으로 조직배양 기술이 널리 사용되고 있다. 조직배양 기반의 이차대사물질 생산 시스템은 대량생산과 정제 공정이 결합되었을 경우, 식물을 재배하여 원료를 생산하는 기존 재배방식보다 경제성과 안정성이 뛰어나기 때문에 최근에는 글로벌 제약회사 및 식물 바이오 기업들로부터 각광을 받고 있다(Bapat et al., 2023). 국내에서는 주목나무(Taxus spp.)의 캘러스 배양을 통해 생산되는 항암제 Paclitaxel (Choi et al., 2002), 산삼의 부정근 배양을 통한 ginsenosides (Kim et al., 2004)가 면역력 증진, 항산화 효과를 위한 식품으로 개발되어 상업화에 성공한 바 있다.

본 논문에서는 식물 조직배양 기반 유용 물질 생산을 통한 산업화 소재 개발 및 유전자원의 활용도 제고를 위해 다양한 식물에서 조직배양기술을 활용한 이차대사물질 생산에 관한 연구 현황을 서술하고자 한다.

본 론

식물 캘러스 배양을 통한 이차대사물질의 생산

캘러스 배양은 식물 조직배양 기술의 핵심 단계이며, 식물의 잎, 줄기, 뿌리 등 다양한 조직을 절단하여 2,4-D, NAA 등과 같은 옥신 호르몬이 첨가된 배지에 배양하여 유도되는 비정형화된 세포 덩어리를 캘러스라고 한다. 이러한 캘러스 세포는 호르몬 농도, 배양 성분 등과 같은 배양 조건에 따라 완전한 식물체로 분화 가능한 배발생 캘러스(embryogenic callus)와 식물체로 재분화하지 못하고 덩어리 형태로 존재하는 비배발생 캘러스(non-embryogenic callus)를 유도할 수 있다. 배발생 캘러스와 비배발생 캘러스를 포함한 모든 캘러스 세포는 식물 조직배양을 통한 이차대사물질의 생산을 위해 가장 기초적인 생산 플랫폼으로 활용되고 있다(Hasnain et al., 2022). 현재까지 다양한 식물에서 캘러스 배양을 통한 이차대사물질 생산이 다수 보고되었다(Table 1). 이들 이차대사물질은 주로 화장품 및 식품 첨가제, 건강기능성 식품의 원료로써 활용이 기대되고 있다(Hasnain et al., 2022).

Table 1.

Production of secondary metabolites in callus derived from various explant of plant.

Plant species Active compound Explant Elicitor Reference
Abeliophyllum distichum Verbascoside Leaf MeJAz, SAyChoi et al. (2025b)
Ajuga reptans Teupolioside Leaf - Di Paola et al. (2009)
Allium sativum Alliin Leaf Sulphur Nasim et al. (2010)
Beta vulgaris Betacyanins Hypocotyl Fe2+, nitrogen Akita et al. (2000)
Burcera linanoe Linaloo, Linalyl acetate Internode, Axillary bud - Pavón-Reyesa et al. (2017)
Camellia sinensis Polyphenols, Catechins Leaf Shikimic acid Muthaiya et al. (2013)
Capsicum annuum Capsiacin Hypocotyl Cellulase Islek et al. (2014)
Cecropia obtusifolia Chlorogenic acid, Isoorientin Leaf Nitrate concentration Nicasio-Torres et al. (2012)
Centella asiatica Asiaticoside, Asiatic acid Leaf MeJA Krishnan et al. (2019)
Chrysanthemum cinerariaefolium Pyrethrins Hypocotyl, Cotyledon - Paramesha et al. (2018)
Citrus sinensis Limonoid Cotyledon - Gerolino et al. (2015)
Coffea arabica Coffee compounds Leaf Light Bonaventura et al. (2024)
Dysosma pleiantha Kaempferol, Quercetin, Podophyllotoxin Leaf - Karuppaiya and Tsay (2020)
Enicostema axillare Secoiridoid glycoside Leaf MeJA, SA Mahendran and Rahman (2024)
Ephedra alata Ephedrine Internode Aspergillus niger, YExHegazi et al. (2020)
Eriobotrya japonica Triterpenes Leaf Light, Sucrose Ho et al. (2010)
Fragaria ananassa Anthocyanins Leaf Temperature Zhang et al. (1997)
Gymnema sylvestre Gymnemic acid Leaf MeJA, YE, 
Chitin, Pectin 		Veerashree et al. (2012)
Helicteres isora Diosgenin Node E. coliShaikh et al. (2020)
Ocimum basilicum　 Flavonoid, Phenolic compounds Leaf CdCl2, AgNO3, 
YE 		Açıkgöz (2020)
Chicoric acid, Anthocyanin Leaf Melatonin, UV-C Nazir et al. (2020)
Papaver bracteatum Thebaine, Sanguinarine Root MeJA, Phloroglucinol Dastmalchi et al. (2019)
Papaver somniferum Sanguinarin Leaf T. harzanium, SA Verma et al. (2014)
Plumbago rosea Plumbagin Leaf JAw, YE, Auxin Silja et al. (2014)
Rhodiola rosea Phenolic compounds Cotyledon MeJA Erst et al. (2022)
Rubia cordifolia Anthraquinones Leaf Gamma-irradiation Mariadoss et al. (2020)
Silybum marianum Silybin Cotyledon YE Ikhlef et al. (2022)
Stevia rebaudiana Steviosides Leaf SA Mejía-Espejela et al. (2018)
Theobroma cacao Polyphenols, Catechins, Methylxanthines Cotyledon - Rojas et al. (2015)
Thevetia peruviana Peruvoside Seed MeJA Zabala et al. (2010)
Tinospora cordifolia Berberine Node MeJA, SA, AgNO3Pillai and Siril (2022)
verbena officinalis Verbascoside, Isoverbascoside Leaf bud, 
Stem 		LED light Kubica et al. (2020)
Vitis vinifera Resveratrol, Viniferins Stem, Tendril MeJA, SA Santamaria et al. (2011)
Withania somnifera Withanolides Root Chitosan, Squalene Sivanandhan et al. (2014)
Zataria multiflora Rosmarinic acid Leaf - Bakhtiar et al. (2025)

zMeJA: Methyljasmonate, ySA: Salicylic acid, xYE: Yeast Extract, wJA: Jasmonate acid.

한반도 고유종인 미선나무(Abeliophyllum distichum)에서는 잎 유래 캘러스에 MeJA (Methyl Jasmonate)와 SA (Salicylic acid)와 같은 식물 방어 반응 유도체(elicitor)를 처리하여 피부 미백, 주름개선 효과와 같은 항산화 효능을 가진 것으로 알려진 verbascoside를 유도하였다(Choi et al., 2025b). 병풀(Centella asiatica) 유래 캘러스에서는 피부질환 및 상처치유 등 항균 활성을 통해 화장품 원료로 활용되고 있는 asiaticoside의 생산이 확인되었다(Krishnan et al., 2019). 또한, 식물 유래 캘러스로부터 착색제, 향료, 감미료 등 식품 첨가제를 생산하는 연구도 활발하게 진행되고 있는데, 비트(Beta vulgaris)에서는 배축(hypocotyl) 유래 캘러스에서 철과 질소 처리에 따라 붉은색을 띄는 betacyanin의 축적이 확인되었는데, 식품 착색제로 사용되는 betacyanin은 강력한 항산화 및 항염 효과를 가진 이차대사물질로 알려져 있다(Akita et al., 2000). 또한 딸기(Fragaria ananassa)와 바질(Ocimum basilicum) 등 다양한 식물 유래 캘러스에서 착색제로 사용되는 antocyanins의 생산이 보고되었다(Nazir et al., 2020; Zhang et al., 1997). 마늘(Allium sativum)의 경우, 잎 조직에서 유도된 캘러스로부터 마늘 특유의 냄새 성분인 allin의 생산이 보고되었다(Nasim et al., 2010). Allin은 항균, 항산화 효능을 가지는 이차대사물질로 잎 유래 캘러스에elicitor로 황(sulper)을 첨가할 경우 allin의 생산이 현저히 증가하였다. 이러한 결과는 마늘 특유의 유황 화합물 축적과 연관되어 있으며, 황을 처리함으로써 마늘의 매운맛과 향에 관련된 allin의 함량을 증가시킨 결과로 보인다.

최근에는 기후변화 대응 및 농업의 지속가능성 제고를 위한 대체식품 개발에 식물 조직배양 기술이 활용되고 있으며, 대표적으로 아라비카 커피(Coffea arabica) 나무의 잎에서 유도된 캘러스로부터 커피 화합물의 생산(Bonaventura et al., 2024) 및 카카오(Theobroma cacao) 캘러스로부터 초콜릿 원료를 생산하는 연구가 보고된 바 있다(Rojas et al., 2015). Elicitor는 식물 유래 캘러스에서 이차대사물질의 생산을 증가시키기 위해 매우 효과적으로 작용하는 것으로 알려져 있다(Veerashree et al., 2012). 비파나무(Eriobotrya japonica)는 잎에서 유도된 캘러스를 통해 항산화, 항염, 항암효과를 가진 tormentic acid, corosolic acid, ursolic acid 등과 같은 다양한 triterpenes를 생산하며, 광의 유무, 배지 종류 및 당농도에 따라 이차대사물질의 함량이 증가됨을 보여주었다(Ho et al., 2010). 양귀비(Papaver bracteatum)에서는 뿌리에서 유도된 캘러스에 elicitors로 MeJA, phloroglucinol을 처리하였을 때, 진통제 등 의약품으로 사용되는thebaine, sanguinarine의 함량이 증가되었다(Dastmalchi et al., 2019).

일부 연구에서는 식물의 형성층 세포로부터 유도된 줄기세포에서 이차대사물질을 생산하는 연구가 진행되었다. ㈜운화에서는 주목나무의 형성층 세포로부터 유도된 식물의 줄기세포에 jasmonate를 처리하여 항암제로 사용되는taxol을 대량으로 생산 가능하다는 연구결과를 보고한 바 있다(Lee et al., 2010). 최근에는 들깨(Perilla frutescens)의 줄기세포에서 항산화제로 알려진 로즈마린산의 생산에 관한 연구가 보고되었다(Lee et al., 2024). 식물 줄기세포는 유전적 변이가 적어 균일한 세포를 대량으로 생산 가능하다고 알려져 있으나 줄기세포 유도 조건 확립의 어려움 및 낮은 세포분화 효율에 따른 생산성 저하 문제 등으로 대량생산을 통한 상업화에 어려움이 존재한다. 따라서, 식물 줄기세포를 포함한 다양한 캘러스 세포에서 유용 이차대사물질을 대량생산하여 상업화 소재를 개발하기 위해서는 절편체의 조직 특성, 배지 조성, elicitor 등 다양한 배양 조건을 조절하여 이차대사산물의 생산성을 극대화하는 노력이 필요할 것이다. 또한, 미선나무와 같은 국내 자생식물에서 이차대사물질의 생산이 유도된 사례로부터 향후 국내 토종자원을 발굴하고 이차대사물질을 생산하는 연구를 통해 국내 유전자원의 가치를 증진할 수 있을 것으로 사료된다.

식물 부정근 배양에 의한 이차대사물질의 생산

식물의 부정근(adventitious root)은 잎, 줄기 등 식물의 뿌리 이외의 조직을 기내 배양하여 유도되는 뿌리를 의미하는데, Table 2와 같이 다양한 식물의 조직으로부터 부정근을 유도하여 이차대사물질을 생산하는 연구가 진행되고 있다. 식물의 부정근은 조직의 분화가 활발하게 일어나는 조직으로 부정근의 생산을 통한 이차대사물질의 대량 생산이 가능하다는 장점이 있으며, 특히 elicitor 처리를 통한 이차대사물질 함량 증진 연구가 활발히 진행되고 있다. 국내에서 약용자원으로 사용되는 시호(Bupleurum falcatum)는 트리테르페노이드 사포닌의 일종으로 항염증, 면역력 증진, 항종양 등 다양한 약리적 효능을 가진 saikosaponins을 함유하고 있으나 천연 뿌리에서는 함량이 매우 낮은 반면에 유식물체에서 유도된 부정근에서 배지의 단당류 종류 및 농도에 따라 saikosaponins 의 함량이 증가되었다(Kusakari et al., 2000). 트리테르페노이드 사포닌(triterpenoid saponin)의 일종인 saikosaponins는mevalonate 경로에 기반하여 합성된다(Lin et al., 2013). 세포질에서 축적된 Acetyl-CoA가 HMG-CoA 환원효소에 의해 mevalonate로 전환된 후 mevalonate kinase 등의 효소 작용을 통해 isopentenyl diphosphate (IPP)가 형성되어 farnesyl diphosphate (FPP)과squalene을 거쳐 ß-amyrin을 형성하게 된다. ß- amyrin은 P450 효소에 의해 산화되고 다양한 형태의 당이 부착되어 최종적으로 saikosaponin A, C, D 등 여러 형태의 saikosaponins를 생성하게 된다. 이 과정에서 당(sugar)은 세포에 탄소원을 공급하여 acetyl-CoA와 같은 전구체의 합성을 활성화하는데 시호의 부정근에 저농도의 당을 첨가할 경우 뿌리 생장 등 식물의 일차 대사를 촉진하며, 이차대사물질의 유도기에 고농도의 당을 첨가하였을 때는 세포의 삼투 스트레스로 인한 방어 작용으로 이차 대사를 촉진하여saikosaponins 함량이 크게 증가하는 것으로 보고되었다. 커피과(Rubiaceae)에 속하는Ophiorrhiza mungos와 미국이 원산지인 다년생 초본 Podophyllum peltatum 에서는 잎과 캘러스에서 부정근을 유도하였고, 고부가 의약품으로 사용되는 camptothecin과 podophyllotoxin의 축적이 확인되었다(Anbazhagan et al., 2008; Deepthi and Satheeshkumar, 2017). 다수의 연구에서 MeJA는 부정근 유래 이차대사물질의 축적을 증가시키는 데 매우 효과적인 elicitor로 작용하였다(Anbazhagan et al., 2008; Jiang et al., 2017; Kim et al., 2004). MeJA는 식물의 다양한 생리적 반응을 유도하는 대표적인 elicitor로 다양한 환경 스트레스에 대응하는 유전자의 발현을 유도하고, 이차대사물질의 생성을 촉진하는 것으로 알려져 있다. 최근에는 특정 대사 경로의 전구체를 배양액에 첨가하여 목표 물질의 생성을 유도하는 기법이 활용되거나 전사체, 대사체 데이터를 통합한 다중오믹스 분석을 통해 유효성분을 정밀하게 조절하는 연구가 이루어지고 있다(Selwal et al., 2025).

Table 2.

Production of secondary metabolites in adventitious root derived from various explant of plant.

Plant species Active compound Explant Elicitor Reference
Bupleurum falcatum Saikosaponins Plantlet Sugar Kusakari et al. (2000)
Hemidesmus indicus 2-Hydroxy-4-Methoxybenzaldehyde Node - Sreekumar et al. (1998)
Hybanthus enneaspermus L-Dopa Leaf SAzSathish et al. (2020)
Talinum paniculatum Saponins Shoot MeJAy and SA Faizal and Sari (2019)
Linum usitatissimum Dehydrodiconiferyl alcohol glucoside Plantlet - Anjum et al. (2020)
Morinda coreia Phenolic compounds Leaf Chitosan Kannan et al. (2020)
Ophiorrhiza mungos Camptothecin Leaf Nutrients, PGRxDeepthi and Satheeshkumar (2017)
Oplopanax elatus Flavonoids, Polysaccharides, Phenolics Plantlet MeJA, SA Jiang et al. (2017)
Panax ginseng Ginsenosides Callus MeJA Kim et al. (2004)
Podophyllum peltatum Podophyllotoxin Callus MeJA Anbazhagan et al. (2008)
Rhus javanica Galloylglucoses, Riccionidin A Leaf - Taniguchi et al. (2000)
Scopolia parviflora Hyoscyamine, Scopolamine Rhizome MeJA, SA Kang et al. (2004)
Silybum marianum Flavonolignan Plantlet - Alikaridis et al. (2000)
Stevia rebaudiana Steviol glycosides Plantlet pH level Ahmad et al. (2018)
Taverniera cuneifolia Glycyrrhetinic acid Callus MeJA, Microbial elicitorswAwad et al. (2014)
Tripterygium wilfordii Triptolide, Wilforgine, Wilforine Callus MeJA, SA Miao et al. (2014)
Valeriana amurensis Valtrate Shoot, Petiole MeJA, JAv, SA Cui et al. (2012)

zSA: Salicylic acid, yMeJA: Methyljasmonate, xPGR: Plant Growth Regulator, wMicrobial elicitors: fungal and bacterial, vJA: Jasmonate acid.

식물 모상근 배양에 의한 이차대사물질의 생산

모상근(hairy root)은 Agrobacterium rhizogenes감염에 의해 유도되는 뿌리 조직으로, 생장속도가 매우 빠르고 높은 대사 활성을 가지고 있어 식물의 이차대사산물 생산에 매우 적합한 시스템으로 알려져 있다(Bagal et al., 2023). 다양한 식물에서 모상근 유도를 통해 약리활성 물질을 고효율로 생산하기 위한 연구들이 다수 보고되었다(Table 3). 개똥쑥(Artemisia annua)에서는 chitosan, MeJA 및 yeast extract 처리를 통해 말라리아 치료제로 사용되는artemisinin을 고효율로 생산(Putalun et al., 2007)하였다. Artemisin은 isoprenoid 경로를 통해 합성되는 물질로 elicitor로 사용된 chitosan 이 단순한 방어 반응을 유도할 뿐만 아니라, 특정 테르펜계 대사 경로를 선택적으로 강화시킴으로써 artemisin의 생합성 효율을 향상시켜 개똥쑥의 모상근에서 artemisin 함량을 크게 증가시켰다. 서양개암나무(Corylus avellana)의 모상근에서는 항암제로 사용되는 paclitaxel의 생산(Jalalipour Parizi et al., 2020)이 보고되었다. 양귀비(Papaver orientale)에서도 모상근에 MeJA, SA 처리를 통해 진통제로 사용하는 morphinan alkaloids의 축적이 보고(Hashemi and Naghavi, 2016)되었고, 독말풀(Datura innoxia)의 유식물체로부터 유도된 모상근에서는 멀미 및 구토예방약으로 사용되는 scopolamine의 생산이 확인되었다(Dechaux and Conti, 2005). 의약품 이외에 건강기능식품 및 화장품 원료 개발을 위해 다양한 식물의 모상근 배양 연구가 진행되었다. 병풀(Centella asiatica)의 모상근 유래 asiaticoside는 화장품 원료(Kim et al., 2007)로 활용되고 있으며, 단삼(Salvia sclarea)의 tanshinone과 엉겅퀴(Silybium marianum)의 silymarin, 포도(Vitis vinifer) 유래 resveratrol 은 항산화, 간 건강 개선 효능 등을 가진 이차대사물질로 알려지면서 건강기능식품 원료로 주목받고 있다(Hasanloo et al., 2014; Hosseini et al., 2017; Ming et al., 2013). 이러한 결과들로부터 모상근 배양이 특정 대사체의 생산을 위해 유용한 플랫폼으로 활용될 수 있으며, 특히 artemisinin, paclitaxel과 같이 약리 활성이 검증된 천연물의 생산에 적합하다는 것을 확인할 수 있다.

Table 3.

Production of secondary metabolites from hairy root transformed by Agrobacterium rhizogenes in plant.

Plant species Active compound Explant Elicitor Reference
Anisodus acutangulus Tropane alkaloid Stem MeJAz, ethanol, Ag+Kai et al. (2012)
Arachis phpogaea Arachidin, Resveratol Leaf Sodium acetate Condori et al. (2010)
Artemisia annua Artemisinin Plantlet MeJA, YEy, Chitosan Putalun et al. (2007)
Astragalus membranaceus Astragaloside Plantlet MeJA Jiao et al. (2016)
Calendula officinalis Oleanolic acid glycosides Hypocotyl JAx, Chitosan Alsoufi et al. (2019)
Calotropis gigantea Cardenolide Leaf MeJA, YE, Chitosan Sun et al. (2012)
Centella asiatica Asiaticoside Node MeJA Kim et al. (2007)
Cichorium intybus Coumarin Stem Fungal elicitors Bais et al. (2000)
Corylus avellana Paclitaxel Leaf - Jalalipour Parizi et al. (2020)
Datura innoxia Scopolamine Plantlet - Dechaux and Conti (2005)
Datura stramonium Hyoscyamine Hypocotyl Acetylsalicylic acid, SAwBelabbassi et al. (2016)
Glycyrrhiza glabra Glycyrrhizin Shoot PEG6000, CdCl2, Cellulase, Mannan Srivastava et al. (2019)
Hyoscyamus reticulatus Hyoscyamine, Scopolamine Cotyledon Iron oxide nanoparticles Moharrami et al. (2017)
Isatis tinctoria Indole alkaloids Petiole SA, MeJA Gai et al. (2019)
Lithospermum canescens Shikonin derivatives Leaf, Stem MeJA Sykłowska-Baranek et al. (2012)
Papaver orientale morphinan alkaloids hypocotyl MeJA, SA Hashemi and Naghavi (2016)
Plumbago zeylanica Plumbagin Leaf MeJA, Chitosan Gangopadhyay et al. (2011)
Pueraria candollei Isoflavonoid Stem MeJA, Chitosan, SA, YE Udomsuk et al. (2011)
Rhinacanthus nasutus Rhinacanthin Cotyledon MeJA, SA Cheruvathur and Thomas (2014)
Rubia tinctorum Anthraquinone Leaf MeJA Perassolo et al. (2017)
Salvia miltiorrhiza Tanshinone Plantlet Fungal elicitors Ming et al. (2013)
Salvia sclarea Aethiopinone, Abietane diterpene Leaf MeJA, CorvVaccaro et al. (2017)
Scutellaria lateriflora Wogonin Plantlet YE Wilczañska-Barska et al. (2012)
Scutellaria lateriflora Phenolic compounds Internode MeJA, Cyclodextrin, Light Marsh et al. (2014)
Silybium marianum Silymarin Hypocotyl Chitosan Hasanloo et al. (2014)
Vitis vinifer Resveratol Internode Sodium acetate, JA Hosseini et al. (2017)
Withania somnifera Withanoloid A Leaf Chitosan, YE, SA, MeJA, SNuHalder and Ghosh (2024)

zMeJA: Methyl Jasmonate, yYE: Yeast Extract, xJA: Jasmonate acid, wSA: Salicylic Acid, vCor: Phytotoxin coronatine, uSN: Silver Nitrate.

고부가 의약품 개발을 위한 식물조직배양 연구

식물조직배양 기술을 이용하여 고부가 의약품 원료로 사용되는 이차대사물질의 생산이 보고되었다(Table 4). Camptothecin은 대표적인 항암제로 알려진 물질로, Camptotheca acuminata와 Ophiorrhiza mungos 등 다양한 식물 종에서 캘러스, 부정근, 모상근 배양을 통해 생산되었다(Deepthi and Satheeshkumar, 2017; Lorence et al., 2004; Park et al., 2003). 또한 ellipticine은 강력한 항암제로 알려져 있으며, Orchrosia elliptica의 캘러스에서 축적이 보고되었다(Kouamo et al., 1985). Taxol은 상용화된 항암제로 알려져 있으며 주목나무 캘러스와 모상근 배양(Kim et al., 1995; Kim et al., 2009)을 통해 생산되며, 최근에는 개암나무의 모상근에서도 생산이 보고(Jalalipour Parizi et al., 2020)되었다. 이외에도 진통제로 사용되는 morphine, 백혈병 치료제인 vinblastine과 vincristine이 캘러스 및 모상근 배양을 통해 생산되었다.

Table 4.

Status of plant cell culture for production of high-value pharmaceuticals.

Product Use Plant species Culture type Reference
Camptothecin Antitumour Camptotheca acuminata Callus Lorence et al. (2004)
Hairy root Park et al. (2003)
Ophiorrhiza mungos Adventitious root Deepthi and Satheeshkumar (2017)
Ellipticine Antitumour Orchrosia elliptica Callus Kouamo et al. (1985)
Morphine Sedative Papaver sp. Callus Siah and Doran (1991)
Hairy root Aghaali et al. (2024)
Taxol Anticancer Corylus avellana Hairy root Jalalipour Parizi et al. (2020)
Taxus spp. Callus Kim et al. (1995)
Hairy root Kim et al. (2009)
Vinblastine, Vincristine Antileukemic Catharanthus roseus Callus Iskandar and Iriawati (2016)
Hairy root Hanafy et al. (2016)

고부가 의약품 소재 개발을 위한 플랫폼으로써 식물 조직배양기술은 야생 채집이나 노지재배에 의존하지 않고 원료의 안정 생산과 공급이 가능하다는 점에서 산업적 활용도가 기대되고 있다. 식물 조직배양기술은 유전자 재조합 기술 없이도 높은 생리활성을 갖는 이차대사산물의 생산을 가능하게 하며 캘러스, 부정근 등과 같은 다양한 배양 시스템을 통해 이차대사물질의 특성과 효율성을 선택적으로 조절할 수 있다. 본 연구의 결과, 식물의 종(species)과 절편체(explant)의 선택이 이차대사물질의 종류와 함량에 크게 영향을 미치며, elicitor 처리로 목적하는 이차대사물질의 대사 경로를 유도하거나 함량을 증진시키는 효과를 가지고 있다는 것을 확인하였다. 최근에는 이들 조직배양 시스템을 바이오리액터로 대량생산하는 체계로 확장하려는 연구가 진행되고 있다. 식물 조직배양 기술에 기반한 이차대사물질 생산 기술은 배양 조건 최적화의 복잡성, 고비용, 대량생산 시설 구축 등의 문제점으로 인해 아직까지 산업적 접근에 한계성을 가지고 있다(Ozyigit et al., 2023). 이를 해결하기 위해서는 고부가 유전자원의 선발 및 최적 조직배양 조건 설정, 저비용 배양 시스템 개발 등이 이루어져야 할 것이다. 향후 식물 조직배양 기술은 친환경적이고 지속 가능한 바이오 생산 기반으로서 가치가 확대되고, 나노기술, 인공지능, 오믹스 기술과 융합되어 더욱 정밀하고 효율적인 대사 물질 생산 시스템으로 발전할 것으로 사료된다. 향후 식물 기반 바이오팩토리 설계, 합성생물학을 통한 생합성 경로 최적화, 대사 공학 기술 접목을 통해 고부가 기능성 천연물의 효율적 생산이 가능할 것으로 기대된다.

적 요

식물 조직배양기술은 식물의 이차대사물질을 안정적이고 효율적으로 생산할 수 있는 중요한 생명공학 기술 중에 하나이다. 식물 조직배양은 기후나 환경 조건에 구애 받지 않고 안정적으로 이차대사물질을 대량으로 생산할 수 있는 기술로 현재까지 많은 연구가 진행되어 왔다. 특히, 식물의 조직으로부터 유도한 캘러스, 부정근, 그리고 A. rhizogenes를 이용한 모상근 배양을 통해 다양한 생리활성 효능을 가진 이차대사물질을 생산하고 있다. 조직배양기술을 통해 생산된 이차대사물질은 식품, 화장품, 그리고taxol, comptothecin과 같이 항암제로 활용되는 고부가 의약품 생산에도 활용되고 있다. 본 논문에서는 다양한 식물 조직배양기술을 이용한 이차대사물질 생산에 관한 연구 동향을 분석하고, 산업적 활용도가 높은 고부가 기능성 소재를 발굴하기 위한 정보를 제공하고자 한다.

Acknowledgements

본 연구는 농촌진흥청 국립농업과학원 어젠다 사업(과제번호: PJ01740003)의 지원에 의하여 수행되었습니다.

Conflicts of Interest

The authors declare that they have no conflict of interest.

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