Ginseng (Panax ginseng C.A. Meyer) has been used as an important oriental medicine since ancient times. Ginseng roots, one of the most famous and expensive crude drugs, have been commonly used to promote the quality of life. Cultivation of P. ginseng is difficult because of its long cultivation period of more than four years, its sun shading, absence of recurring cultivation and various diseases. Conventional breeding of P. ginseng is also difficult and impractical since the procedure takes more than 50 years. In view of these facts, biotechnological applications have been considered as an alternative approach for ginseng improvement and propagation and the production of raw materials for medicinal use. The representative secondary compound accumulated in roots of ginseng species is ginsenoside, a triterpenoid saponin. Ginsenosides are considered to be the main bioactive compounds derived from the roots and rhizomes of different Panax species (Araliaceae). The enzyme squalene synthase catalyzes the first step from the central isoprenoid pathway towards sterol and triterpenoid biosynthesis. Both phytosterols and triterpenes in plants are synthesized from the product of cyclization of 2,3-oxidosqualene. The step in ginsenoside synthesis involves cyclization of 2,3-oxidosqualene to oleanane and a dammarene-type triterpene skeleton. Enzymes at the later step of ginsenoside biosynthesis are cytochrome P450s and glycosyltransferases. The genes for biochemical pathways involved in saponin biosynthesis are of considerable interest in the area of ginseng biotechnology. We investigated the roles of squalene synthase (PgSS1) protein on the biosynthesis of phytosterols and triterpenoids. Over-expression of the PgSS1 gene in adventitious roots of transgenic P. ginseng resulted in the up-regulation of the downstream genes, such as squalene epoxidase, beta-amyrin synthase and cycloartenol synthase. Transgenic P. ginseng also exhibited a remarkable increase in the production of phytosterol (beta-sitosterol, stigmasterol, campesterol) and triterpene saponins (ginsenosides). The first committed step in ginsenoside synthesis is the cyclization of 2,3-oxidosqualene to dammarenediol II by the oxidosqualene cyclase (dammarenediol synthase). The gene encoding dammarenediol synthase was characterized by our research group. We reported that ectopic expression of dammarenediol synthase gene (DDS) in yeast mutant (erg7) lacking lanosterol synthase resulted in the production of dammarenediol and hydroxydammarenone which were confirmed by LC/APCIMS. RNA interference (RNAi) of DDS in transgenic P. ginseng resulted in silencing of DDS expression which leads reduction of ginsenosides production to 84.5% in roots. Now we are focused on the characterization of cytochrome P450 for biosynthesis of protopanaxadiol and protopanaxatriol used as backbones for ginsenoside

Saponin and ginsenosides are very important as medicinal components of ginseng. These components are significantly different according to Panax species, cultivation area, or manufactured products. In this research, we comparatively analyzed the characteri

To investigate the effect of culture conditions on growth and ginsenosides accumulation, we cultured the ginseng hairy root under three different media, white light or ultra-violet irradiation. The MS/B5 medium containning MS basal salt and B5 vitamin was good for the growth and ginsenoside accumulation. The light during the culture period of ginseng hairy root was irradiated. The growth was abundant in the ginseng hairy root cultured in dark. But the ginsenosides accumulation was higher than in the ginseng hairy root cultured in the light irradiation. When the ginseng hairy root was cultured in 20 L bioreactor, the ginsenosides accumulation was observed at 34% higher than the hairy root cultured in dark. UV irradiated the ginseng hairy root during the culture period. The long time irradiation of UV was caused decreasing the growth of ginseng hairy root, but the accumulation of ginsenosidess was increased as to the irradiated time.

고기능성 홍삼사포닌성분의 함량을 증대시키기 위한 목적으로 홍삼엑스에 열처리, 산(acid)처리하여 그 가능성을 조사하였다. 산도를 조정하지 않은 무처리구(control, pH 4.4)에 120℃ 열처리한 경우 ginsenoside-Rg3의 함량이 약 2배 정도 증가였다. 구연산으로 pH 2.0으로 조정하고 온도처리한 처리구에서는 2.8배나 많은 ginsenoside-Rg3 성분이 증가하였으나 다른 유효한 사포닌의 파괴가 두드러져 처음 홍삼엑스에 함유되어 있던 총사포닌의 65% 정도가 소실되었다. 80℃에서 12시간 처리를 한 경우에는 pH를 2.5와 2.0로 조정한 처리구에서는 11.20 mg과 12.50 mg으로 홍삼엑스의 3.3 mg보다 3.3배 이상 ginsenoside-Rg3 성분이 변환되었다. Ginsenoside-Rb1, Rb2, Rc, Re, Rg1의 함량이 산도가 높아짐에 따라서 급격히 소실되었고 홍삼 특이성분(ginsenoside-Rg3, RH2, Rh1)의 함량은 현저히 증가되었다. 매실엑스로 pH를 2.5로 조정한 처리구에서는 13.34 mg으로 홍삼엑스의 3.3 mg보다 4배 이상 변환된 것으로 분석되었다. 비록 31%정도의 total saponin의 감소가 있었으나 120℃의 고온처리에서 처럼 다른 유효한 사포닌의 큰 손실 없이 60℃에 12시간 처리하는 것만으로도 다량의 ginsenoside-Rg3를 생산하는 것을 확인하였다.

홍삼 제조공정을 단순화하면서 효율적으로 유효성분을 증대시키기 위해서 4년근 수삼을 구입하여 깨끗이 수세한 후 96-98℃에 3시간 정도 수증기로 증삼한 후 30시간 정도 열풍건조하여 홍삼제조를 위한 간이법을 개발하였다. 제조한 홍삼으로부터 홍삼엑스(60˚ brix 이상)를 제조하였으며 홍삼엑스의 추출수율은 60% 이상이었다. 간이법으로 제조한 홍삼을 재료로 하여 농축한 홍삼엑스의 사포닌 함량을 조사하기 위해서 HPLC를 이용하여 총 사포닌(total saponin)을 분석하였다. 그 결과 PD계 사포닌 중 암세포전이억제효과와 평활근이완작용이 탁월한 ginsenoside-Rg3에는 H사에 비하여 2배 이상 검출되었으며, 간상해 억제작용과 혈소판 응집억제작용이 있는 것으로 알려진 ginsenoside-Rh1종의 경우 3배 이상 검출이 되었다.

금산 및 음성지역의 4년생 인삼재배 농가포장에서 직파재배 5개소와 이식재배 5개소를 임의로 선정하여 직파와 이식재배에 따른 생육특성 및 엑스와 조사포닌 함량을 비교한 결과는 다음과 같다. 직파재배는 4년근 생존율이 평균 48%로 이식재배의 86%보다 떨어지나 입모수가 평균 96주/3.3m2순로 이식재배의 57주보다 많고 엽면적지수가 커 수량성이 높은 반면, 주당근중은 작았다. 직파재배는 이식재배에 비해 동체의 신장이 양호하나 지근의 발달이 불량하여 동체중의 비율이 높고 지근중의 비율이 낮았으며, 직파재배는 적변 발생율이 적으나 동체와 지근부위의 엑스와 조사포닌 함량이 낮았다.

인삼원료삼의 안정적인 공급을 위하여 인삼의 기내배양에 의하여 생산된 캘루스 및 모상근으로부터 인삼사포닌, 지방산, 산상다당체, 페놀성화합물 및 유기산함량을 조사하였다. 인삼사포닌의 경우에는 캘루스에 비해 모상근에서 훨씬 많았으며 모상근 세포주간에는 약 10mg/g로 유사한 경향을 보였다. 포화지방산은 인삼 캘루스에서 높은 반면 모상근의 경우에는 불포화지방산이 오히려 많거나 비슷한 경향을 보였다. 특히 인삼 캘루스에서는 palmitic acid가 많이 존재하였으며, 인삼 모상근의 경우에는 불포화지방산인 linoleic acid가 캘루스의 5배 이상 많은 검출되었다. 산성 다당체와 페놀성화합물은 기내 배양한 인삼 캘루스 조직에서는 거의 동량으로 존재하였으나, 인삼 모상근의 경우에는 세포주에 따라서 많은 차이를 나타내었다. 특히 HR-2같은 경우에는 산성 다당체보다는 페놀화합물이 2.26%로 산성 다당체보다 2배 이상 많이 존재하였는데 반하여, HR-3 인삼 모상근의 경우에는 산성 다당체가 1.64%로 페놀화합물보다 4배 이상 존재하는 것으로 분석되었다. 인삼 모상근세포주와 캘루스의 유기산은 모상근 세포주가 34.64 mg으로 가장 많이 존재하는 것으로 조사되었다.

인삼 조직배양에 있어 multi-shoot 대량번식을 통한 이차대사산물의 이용가능성을 조사코자 강제통기방식에 의해 CO2를 기내에 공급하여 배배양하였던 바 multi-shoot 분화특성 및 사포닌 함량에 미치는 CO2의 효과는 다음과 같다. 부정아 수와 부정아 유래의 신초수는 무처리와 CO2 2처리구간에 차이가 적었고 분화율은 50%내외이었고 부정아에서 분화한 신초는 경엽의 전개가 빠르고 생장량이 높은것이 특징이었다. 한 개의 자엽에서 분화되는 shoot primordium의 수는 대체로 15.4개-23.9개로 CO2 2, 500ppm처리구가 가장 양호하였고 CO2 10, 000ppm의 고농도는 오히려 shoot primordium수 뿐만 아니라 신초 분화율도 저하시켰다. 무처리의 건물율은 7,50%이었던데 반하여 CO2 2, 500ppm처리구는 건물율이 8.59%로 여타 CO2 처리구에 비하여 가장 높았다. 기내개화율은 무처리가 7.6%이었으나 CO2, 2, 500-5, 000ppm처리구는 16.3-15.7%로 무처리에 비하여 2배 가량 높았다. 그러나 1개의 치상 배에서 얻어지는 개화수는 1.2-1.3개로 CO2 처리농도에 따른 차이가 없었다. 조사포닌 함량은 CO2 2, 500ppm처리구의 경우, 캘러스와 신초가 혼재되어 있는 소식물체는 5.80%이었던데 비하여 multi-shoot가 8.32%로 높았고 ginsenoside함량은 multi-shoot의 경우, ginsenosid Rd, Re 그리고Rg1이 특히 많았다.

인삼 성분육종의 기초자료를 얻고자 동일한 생육환경하에서 생육한 4년생 이종인삼의 부위별 조사포닌 및 각 ginsenoside의 함량을 분석하였던 바 그 결과를 요약하면 다음과 같다. 1. 잎과 줄기에 함유된 조사포린 함량은 미국삼이 고려인삼인 자경종, 황숙종보다 많았으며 줄기보다는 잎에서 조사포닌함량이 높았다. 2. 뿌리의 조사포닌함량은 잎, 줄기와 같이 미국삼이 고려인삼인 자경종과 황숙종보다 높은 경향이었다. 3. 잎과 줄기 및 뿌리에 함유된 조사포닌의 panaxatriol 및 panaxadiol계 saponin의 함량비(PT/PD)는 잎과 줄기에서는 1.5~3.7:1. triol 계사포닌이 많은 반면 뿌리에서는 1:1~1.5로서 diol계사포닌이 많았다. 4. 각품종 공히 잎과 줄기에 함유된 ginsenoside종류에는 차이가 없었으나 -Rg2 , -Re, -Rc 등은 줄기에, -Rg1 , -Rd, -Rb1 은 잎에 다량 함유되어있었다. 5. 인삼뿌리에 함유된 ginsenoside는 -Rg1 , -Re, -Rb1 등이 많이 함유되었으며 고려인삼에서는 -Re가, 미국삼에서는 -Rb1 이 가장 많이 검출되었는데 특히 미국삼에서는 -Ro, -Ra, -Rf, -Rg2 가 검출되지 않았다.

수광율의 차이가 인삼엽내의 saponin과 유리당함량 및 Panaxatriol(PT)/Panaxadiol(PD) 비에 미치는 영향을 구명코자 수광량이 자연광의 5, 10, 20, 30%의 수광율(LTR) 하에서 자란 4년생 인삼엽에서 이들을 조사하였던 바 그 결과는 다음과 같다. 1. Ginsenoside별 함량은 PD계 사로닌에서는 -Rd가 가장 많았고, PT계 사포닌에서는 -Re, Rg1 , -Rg2 순으로 많았다. 2. Total 사포닌과 PT계 사로닌함량과 PT/PD의 비는 20% LTP까지 수광율이 많을수록 증가되다가 30% LTR에서는 약간 감소되었고, PD계 사포닌 함량은 수광율이 증가할수록 많아졌다. 3. Glucose, Fluctose 함량은 20% LTR에서 가장 많았으나 sucrose함량은 오히려 20% LTR에서 가장 적었다. 4. Total 사포닌 함량과 Glucose함량간에는 정(+)의 상관(r=0.992**)이 인정되었다.