Background : Miscanthus is a diploid hybrid and a temperate, perennial, cross-pollinating grass used as bioenergy plant, biomass production and high quality cellulose and ethanol production. This study was to determine an efficient transformation system for Miscanthus sinensis, and to optimize factors and conditions required for expression of MsCOMT–AS gene. Methods and Results : An efficient transformation of callus from M. sinensis was established using Agrobacterium tumefaciens strain LBA4404 harboring a binary vector pMBP1. In order to establish stable transformation system, we obtained high transformation rate from callus by various transformation factor explant type, strain, co-culture periods, acetosyringone concentration, and selective marker. Finally, in this study, seven putative transgenic plants were obtained. Through various tests including PCR analysis and southern blot were to detect antisense of COMT digested Xba I and Sac I restriction enzymes. The biomass of the control plant was superior than transgenic plants. Conclusion : This study was to develop transgenic Miscanthus sinensis by Agrobacterium tumerfeciens mediated transformation to produce high bioethanols and to reduce the lignin content of transgenic plants. Detailed characterization of the transgenic plants revealed interesting finding about COMT gene expression in the segregates

Miscanthus has been considered as the most promising bioenergy crop for lignocellulosic biomass production. In Korea, M. sacchariflorus and M. sinensis can be found easily in all regions. It is a great advantage to utilize as important species with respect to genetic and cross-breeding programs materials for creation of novel hybrids. For successful breeding programs, it is important to precisely understand the variability of flowering traits among Miscanthus species as breeding parents materials. In this study, flowering traits were observed daily in 960 germplasms of two Miscanthus species (M. sacchariflorus and M. sinensis) for growing seasons over 2 years. The flowering process was divided into three stages. ST (sprouting time) was recorded when first leaf of the plant emerged on soil. FS1 (flowering stage 1) and FS2 (flowering stage 2) were recorded when flag leaf was firstly observed, and 1 cm of panicle was showing on at least one stem, respectively. For 2013 and 2014, the latest germplasms exerted flag leaf, i.e. September 30 (DOY of FS1 164.1) and September 4 (DOY of FS1 141.0) occurred M. sacchariflorus cv. Geodae 1 and M. sacchariflorus cv. Uram collected from Southern Korea (Jeollanam-do), while Miscanthus germplasms collected from northern Korea (Gyeonggi-do) which emerged the earliest flag leaf in July and August, significantly decreased DOY. For DOY from ST to FS2, M. sacchriflorus germplasms ranged from 140 to 190 days, and 110 to 170 days for 2013 and 2014. The highest frequency showed to 160 days for 2013, and 150 days for 2014. In M. sinensis germplasms, the highest frequency showed to 180 days for 2013, and 170 days for 2014. In the results of correlation between the day of years from ST to FS2 for 2013 and 2014, M. sacchriflorus and M. sinensis showed high coefficient of correlation (0.70 and 0.89). It can be supposed that flowering characteristics of Miscanthus are largely affected by the unique phenotypic characteristic of native habitat than environmental factors of the current planted site. This study for flowering traits of Miscanthus may provides an important information in order to expedite the introduction as breeding materials for creation of new hybrid.

본 연구는 한국형 바이오에너지작물로 선발된 물억새인 ‘우람’의 미성숙 화기를 이용한 캘러스 유도 및 식물체 재분 화 조건을 확립하고자 하였다. 캘러스 유도율은 MS배지에 2,4-D 3 mg L-1 첨가에서 93.3%로 높게 나타났으며, 2,4-D 3 mg L-1과 BA 0.1 mg L-1 처리에서 86.7%로 높게 나타났 다. 식물체 재분화율은 BA가 첨가된 배지에서 유도된 캘러스 를 이용하였을 경우 BA가 첨가되지 않은 배지에서 유도된 캘 러스보다 높게 나타나는 것을 확인하였다. 재분화를 위한 배 지 조성은 BA 5 mg L-1과 NAA 0.1 mg L-1 호르몬 조합에 서 재분화율이 86.7%로 가장 효과적이었다. 재분화된 소식물 체는 캘러스로부터 분리하여 MS배지에서 발근을 유도하였을 때 배양 4주 이후 뿌리가 3 cm 이상 신장하였다. 기내에서 발 근이 된 소식물체의 순화를 위해 상토에 이식하고 온실에서 재배하였을 때, 5주 후 지상부가 20 cm 이상으로 신장하여 성공적으로 활착되었다.

전 세계적으로 지속가능한 에너지자원의 확보에 대한 필요성과 관심이 높아지고 있다. 현재 화석연료의 의존도가 높으나, 화석연료의 가격의 변동이 심하고, 한정된 매장량을 지니며, 지나친 화석연료의 사용은 환경적으로 심각한 악영향을 미친다. 바이오매스 및 폐기물을 에너지원으로 하여 에너지를 생산하는 분야는 최근 각광받는 신･재생 에너지 분야 중 하나이다. 바이오 에너지는 바이오매스로부터 전환된 바이오 에너지를 사용할 때 발생되는 이산화탄소가 바이오매스의 성장에 다시 쓰이게 되므로 탄소중립적이며 바이오매스의 경작, 재배를 통하여 지속적으로 생산 할 수 있다는 장점을 가진다. 최근까지 옥수수, 사탕수수 등의 식량자원을 에너지원으로 사용하였지만 이러한 식량자원의 사용은 국제 곡물가 폭등 및 후진국의 식량파동을 야기하므로 비 식량에너지 작물개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 비 식량 바이오매스에 대한 연구의 일환으로 농촌진흥청 국립식량과학원에서 거대억새를 개발하였다. 거대억새는 국내에 자생하는 물억새의 일종으로 염색체수가 76개로 4배체이며 기존 물억새 대비 크기와 굵기가 2배 이상이기 때문에 수확량은 약 30 ton/ha 로 1.5배 가량 높다. 또한 셀룰로오스 함량이 44%로 많고 회분이 1.6%로 적기 때문에 에너지자원으로써의 잠재성을 지니고 있다. 따라서 본 연구에서는 거대억새를 원료로 하여 bio-oil을 생산하는 연구를 진행하였다. 바이오매스는 열분해, 가스화, 연소 등의 열화학적 공정을 통하여 더욱 가치 있는 에너지의 형태로 변환될 수 있으며 그 중 급속열분해 공정은 무산소 분위기, 약 500℃의 반응온도, 2초 이하의 짧은 기체체류시간을 유지하여 액상생성물인 bio-oil의 수율을 극대화 하는 공정이다. Bio-oil의 수율과 품질은 급속열분해 운전조건에 영향을 받으며 그 중 반응온도는 가장 영향을 많이 미치는 인자이다. 본 연구에서는 1kg/h 급 사각형 유동층반응기를 이용, 기포유동층 영역에서 400-550℃의 온도범위로 거대억새를 급속열분해 하였고, 생성된 bio-oil의 발열량, 수분함량, 점도, GC/MS 등의 분석을 통하여 특성 및 품질분석을 실시하였다. 또한 타 목본계, 초본계 바이오매스들과의 비교를 통하여 거대억새 bio-oil의 연료로써 가치평가도 함께 실시하였다.

억새(Miscanthus spp.)는 화본과 중 광합성 효율이 높은 C4 식물군에 속하는 식물로 한국, 일본, 중국 등 동아시아가 원산지인 대표적인 바이오에너지 원료작물이다. 억새는 주로 지하경을 이용하여 번식하여 왔으나 지하경을 이용한 번식은 유전형은 유지할 수 있으나 우량 품종 개발에 불리하다는 문제점이 있다. 조직배양기술은 유용 자원을 이용한 돌연변이 육종과 형질전환 기술을 이용한 신품종 육종을 위한 기반기술로 활용 될 수 있어 바이오매스의 확보측면에서 유용하다. 국내 유망 바이오매스 자원인 억새의 신품종 육성을 위해서는 캘러스 유도 및 식물체 재분화에 효율적인 조직배양 기술을 확립하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 농촌진흥청에서 선발한 ‘우람’ 억새(Miscanthus sacchariflorus cv. Wooram)의 미성숙 화기를 이용한 안정적인 캘러스 유도 및 식물체 재분화 조건을 확립하여 신품종 육종을 위한 기초자료를 확보하고자 하였다. 식물재료는 국립식량과학원 바이오에너지작물연구소 내의 억새 재배포장에서 미성숙 화기가 5 mm 이하로 분화한 개체만 채취하여 사용하였으며, 수집한 재료는 70% EtOH로 2분, 0.45% NaOCl으로 20분간 표면 살균하여 배지에 치상하였다. 미성숙화기로부터 캘러스 유도율을 조사한 결과, MS배지에 생장조절제인 3 mg L-1 2,4-D를 첨가한 처리가 캘러스 유도율 93.3 %로 가장 높게 나타났고 3 mg L-1 2,4-D + 0.1 mg L-1 BA를 혼합 처리한 배지에서도 86.6 %의 캘러스 유도율을 나타냈다. 이후 캘러스로부터 식물체 재생 실험에서 3 mg L-1 2,4-D에 0.1 mg L-1 BA를 혼합 처리한 배지에서 유도된 캘러스가 3 mg L-1 2,4-D 처리 배지에서 유도된 캘러스보다 식물체 재분화율이 높게 나타났다. 캘러스 유도에는 최종적으로 3 mg L-1 2,4-D + 0.1 mg L-1 BA 처리 배지가 가장 효과적인 것으로 나타났다. 식물체 재분화를 위한 최적 생장조절제 농도에 대한 실험에서는 5 mg L-1 BA + 0.1 mg L-1 NAA 배지에서 재분화율 86.6 %로 가장 효과적이었다.

최근 교토의정서 발효로 인한 이산화탄소 배출량 감축의무 등에 따라 세계 여러 나라에서는 바이오매스 및 폐기물에너지에 대한 투자와 연구 개발이 활발히 진행되고 있다. 바이오매스를 에너지로 전환하는 열화학적 전환공정으로는 연소, 가스화, 급속열분해 공정이 있으며, 이중 급속열분해 공정은 바이오매스를 액상 연료로 전환하는 공정으로, 공정을 통해 생산되는 bio-oil은 발전용, 수송용 연료, 화학소재 등 다양한 분야에 활용이 가능하기 때문에 연구개발이 활발히 이루어지고 있다. 농촌진흥청에서 국립식량과학원에서 개발한 에너지작물인 거대억새 1호는 국내에 자생하는 물억새 일종으로서 염색체 수가 76개인 4배체이다. 간장이 4m, 경태가 9.6mm로서 일반 물억새에 비해 2배 이상 크고 굵기 때문에 수확량이 30ton/hr 정도로 일반 물억새에 비해 50% 이상 많다. 줄기가 고사하면 줄기에 붙어 있는 잎집과 잎이 대부분 탈락되어 셀롤로오스 함량이 44%로 많고 회분 함량이 1.6%로 적기 때문에 bio-oil 제조용으로 좋은 연료이다. Bio-oil을 안정적으로 발전용, 수송용 연료로 사용하기 위해서는 고품질의 bio-oil을 생산할 수 있는 공정 기술이 기반이 되어야 한다. Bio-oil의 수율 및 품질은 급속열분해 운전조건에 영향을 받기 때문에 높은 수율의 고품질 bio-oil을 생산하기 위해서는 급속열 분해 공정의 최적운전 조건 도출 및 bio-oil의 물리-화학적 특성 변화에 대한 연구가 필수적으로 요구된다. 본 연구에서는 급속열분해 반응 온도가 거대억새 bio-oil의 물리-화학적 특성에 미치는 영향을 파악하기 위해서 사각형 유동층 급속열분해 반응기를 이용하여 급속열분해 실험을 수행하였다. 급속열분해 실험은 400~550℃ 범위에서 수행되었으며, 급속열분해 반응온도에 따른 생성물의 수율을 측정하였다. 그리고 급속열분해 반응온도 변화에 따른 bio-oil의 수분 함량, 발열량, 점도 변화와 GC/MS 분석을 통하여 bio-oil 내 성분 변화를 살펴보았다.

The rice stem borer (Chilo suppressalis Walker) was one of the most destructive pest of rice for the 1960s and 1970s in Korea. Recently, it is newly recognized as a potential risk factor to the biomass yield of bioenergy crops. The current research was firstly conducted to investigate overwintering larvae population density and pattern of rice stem borer attacking Miscanthus sacchariflorus cv. Geodae 1 which is referred to as an ideal lignocellulosic bioenergy crop in Korea. Population density of larvae per 1 m2 in stems and rhizomes at the Miscanthus experimental plots and rates of damage (wormhole, abscission) of M. sacchariflorus cv. Goedae 1 were investigated from October 2012 to March 2013. The population of larvae per 1 m2 in stems of Miscanthus were 23, 4, 1, and 1 in October, November, December 2012, and January 2013, respectively. Over the same period, the population of larvae in basal stem rots and rhizomes were increased, whereas decreased in stems. Interestingly, the positions of larvae for overwintering in Miscanthus were confirmed to 5~10 cm below the soil surface such as basal stem rot and rhizome, whereas the most common overwintering position known in rice is a part of stem on the ground such as rice straw and rice stubble. It would suggest that the larvae gradually moved to bottom of stems and rhizomes in soil in line with decline in temperature. Moreover, the damage rates of stems per 1 m2 were up to more than 50% in some places. In conclusion, this might be the first report that rice stem borer could affect the productivity of biomass of Miscanthus in case of mass cultivation. Moreover, it should be necessary to make a decision in insect control management for this bioenergy feedstock and other related crops.

억새(Miscanthus spp.)는 화본과에 속하는 다년생 C4 식물로 국내에 자생하는 대표적인 바이오에너지 원료작물이 다. 농촌진흥청에서 개발한 ‘거대 1호’는 4배체 물억새로 초장 및 경태 등이 일반 억새의 두 배 크기로 탁월한 건물 생산성을 보여 유망한 바이오매스 자원으로 여겨지고 있다. 본 연구에서는 ‘거대 1호’의 미성숙 화기를 이용한 안 정적인 캘러스 유도 및 식물체 재분화 조건을 확립하여 대량증식 및 분자육종을 위한 기초자료를 확보하고자 하였 다. 재료는 억새의 2mm 이하인 미성숙화기를 사용하였으며, 수집한 재료는 70% EtOH로 2분, 0.45% NaOCl으로 20 분간 표면살균 후 미성숙화기의 정단부위를 실체현미경 하에서 적출 후 사용하였다. MS배지에 2,4-D(Auxin)와 BA(Cytokinin)를 각 농도 별로 첨가하여 캘러스 유도율을 조사한 결과, 2,4-D 5 mg/L와 BA 0.1 mg/L를 혼합 처리한 배지에서 가장 높은 캘러스 유도율을 나타내었다. 유도된 캘러스로부터 신초 재분화를 위해 MS 배지에 NAA와 BA, 2,4-D와 BA 등을 농도별로 첨가하여 배양한 결과, NAA 1mg/L와 BA 1mg/L이 첨가된 MS 배지와 5 mg/L BA와 0.1 mg/L NAA가 첨가된 배지에서 각각 15.4, 15.2 %의 신초 재생율을 보였다.

억새(Miscanthus spp.)는 우리나라가 원산지인 대표적인 섬유질계 바이오에너지 원료작물로 다년생 C4 식물이며 배수성이 다른 유전자원이 널리 분포하고 있다. 외국에서는 자연 생태계 교란 방지를 위해 종자번식 억새의 재배 를 규제하고 있어 불임성 억새 품종개발이 시급하다. 본 연구는 국내 수집 1,500여 종의 유전자원 중 재배년수가 비슷한 물억새 518점, 참억새 297점 등 총 815점을 대상으로 불임성 억새품종 육종에 필요한 종별 개화 특성을 조사 하였다. 억새의 자가불화합성은 물억새 3종, 참억새 3종 및 3배체 억새 이삭에 봉지를 씌워 개화 후 이삭의 지경수, 총영수 및 결실 종자수를 조사하였다. 억새 유전자원의 개화기(FS3)까지의 전체 생육일수 210일에서 220일 사이 에 개화하는 물억새는 전체의 80% 이상, 참억새는 56%였다. 또한 억새 유전자원의 자가불화합성을 검토한 결과, 자연수분 조건에서 참억새의 임실률은 45.7%인 반면, 봉지를 씌운 참억새의 임실률은 8.3%로 매우 낮았다. 한편, 2배체 참억새와 4배체 물억새 종간 교잡종으로 알려진 3배체 억새는 자연수분 조건에서도 임실률이 0.9%로 매우 낮아 기존 보고와 동일한 결과를 얻었다.

Miscanthus sacchariflorus var. No. 1 has been newly developed in Korea. This study was conducted to assess the feed value of M. sacchariflorus var. No. 1 at different growth and harvesting time. Total 3 different miscanthus - 1y4m (first shoot and harvested at 4 month), 2y4m (second shoot and harvested at 4 month) and 2y8m (second shoot and harvested at 8 month). Two experiments were carried out, In vitro rumen simulated fermentation and In situ dry matter digestibility (DMD). Ruminal pH at in vitro fermentation were higher in M. sacchariflorus var. No. 1 treatments compared to the rice straw (RS). In volatile fatty acid production, 1y4m resulted in higher acetate production than the other M. sacchariflorus var. No. 1 at higher maturity stages. Significant differences among treatments were observed in propionate and total volatile fatty acid (VFA) productions at 9, 24 and 48 h of incubation times. Higher ammonia nitrogen productions were found as increased maturity of M. sacchariflorus var. No. 1. At In situ experiment, high DMD was detected in the order of RS (60.51%) > 1y4m (57.65%) > 2y4m (57.63%) > 2y8m (46.28%). The results from this study indicate that young and early harvested M. sacchariflorus var. No. 1 are able to improve its nutrient values in the ruminant animal.

바이오에너지 작물로 주목받고 있는 억새(Miscanthus sinensis)의 성숙 종자로부터 캘러스를 유도하고 식물체를 재생시키는 방법을 개발하였다. 억새 종자로부터의 캘러스 유도에 적합한 조건을 알아보고자 기본배지와 2,4-D의 농도, proline의 농도, 배지고형제의 종류와 농도 처리를 각각 실시하였다. 기본배지로 MS배지와 N6배지를 두고 2,4-D를 농도별로 처리하였을 때, MS 배지에 2,4-D 4.0 mg/L를 첨가한 처리구에서 캘러스 형성율이 42.2%로 가장 높았다. Proline은 종자로부터 캘러스 형성을 증가시키는 효과가 있었고, 3.0 g/L 이하의 저농도에 비해 12.0 g/L를 첨가하는 것이 캘러스 형성에 좋았다. 배지 고형제는 agar에 비해 Phytagel이 효과적이었으며 Phytagel 2.25 g/L를 첨가한 처리구에서 캘러스 형성율이 86.1%로 가장 높았다. 억새의 종자로부터 유도된 캘러스는 4주 간격으로 계대배양하였고, 캘러스 유도 3개월 후 진한 노란색의 둥근 돔 형태를 갖는 캘러스를 분리하여 신초 재생에 이용하였다. 종자로부터 유도된 캘러스를 호르몬 무첨가 MS 배지 또는 MS 배지에 BA 1.0 mg/L를 첨가한 배지에서 배양하여 신초 재생을 유도할 수 있었다. 재생된 신초는 신장과 발근을 거쳐 소식물체로 발달하였으며, 소식물체는 성공적으로 활착되었고 정상적인 표현형을 나타냈다.

억새 수집종의 초장 길이를 조사한 결과, 개화 전과 후 전체 생육기간 동안 200 cm 이상 우량한 생육을 나타낸 개체 자원은 India에서 수집한 억새 MS013이며, 개화 후에는 MS005, MS010, MS011, MS014 억새도 200 cm 이상의 생육을 보여주었다. 대부분의 억새 수집종의 경우 분얼수가 2-3개 정도로 나타났다. 엽장의 길이가 100 cm 이상인 수집종은 MS001, MS002, MS005, MS012, MS013, MS014로 6종이며, 엽폭은 1-2 cm 사이가 63%이상으로 대부분의 수집종들이 이에 속하였으며, MS002, MS003, MS005 억새의 엽폭은 2 cm 이상으로 잎이 넓은 것을 확인할 수 있었다. MS005 억새는 초장, 간경, 마디수, 분얼수 뿐만 아니라, 엽장, 엽폭에 있어서도 다른 지역에서 수집한 억새보다 수치가 높은 것을 확인하였으며 바이오에너지용 억새로서의 가치가 있다고 사료된다.

본 연구는 최근 한방자원, 사료자원, 바이오에너지 자원 등 다양하게 이용되는 국내 자생 억새(Miscanthus sinensis)의 대량생산 및 신품종 개발을 위한 조직배양체계 확립을 위해 수행되었다. 이를 위해 억새 완숙종자로부터의 캘러스 유도와 재분화를 위한 식물생장조절제의 적정농도를 규명하였다. 억새의 성숙종자유래 배발생 캘러스 유도를 위해 2,4-D, IBA, NAA를 1~10 mg·L-1의 농도로 단용 처리한 결과, 5 mg·L-1 2,4-D 처리에서 가장 높은 85.3%의 캘러스 유도율과 캘러스의 증식을 보였으며 조직배양 과정 중 갈변화율도 가장 낮았다. 또한, 캘러스의 재분화를 위해 옥신인 NAA와 Kinetin, 2-iP, 또는 BAP 등의 사이토키닌을 혼용 처리한 결과, 각각 19.0%~59.0%, 23.0%~67.3%, 14.7%~83.7%의 재분화율을 보여 NAA와 BAP의 혼용 처리구가 NAA와 Kinetin 또는 2-iP와 혼용 처리구보다 식물체 재분화에 효과적이었다. 특히 3 mg·L-1 NAA와 5 mg·L-1 BAP 혼용 처리된 배지에서의 재분화율이 83.7%로 가장 높게 나타났으며, 캘러스 당 재분화 식물체 개수도 5.5개로 동일농도의 2-iP 또는 Kinetin 혼용 처리 시 2.1 및 2.0개보다 많았다. 본 연구결과 억새 성숙 종자로부터의 배발생 캘러스 유도에는 5 mg·L-1 2,4-D가 그리고 캘러스의 재분화에는 3 mg·L-1 NAA와 5 mg·L-1 BAP 혼용 처리가 가장 효율적이었다. 본 연구를 통해 확립된 조직배양체계는 억새의 대량생산 및 신품종 개발에 유용할 것으로 판단된다.