Transgenic tobacco (Nicotiana tabacum, Xanthi) plants that contain enlarged chloroplasts in leaf mesophyll cell were constructed. Independent 3 lines of plants were generated by introducing a sense construct of NtFtsZf-2, which is a tobacco nuclear gene encoding a chloroplast localized homolog of the bacterial cell division protein. In T1 progeny, two different types of transgenic plants were observed: (1) plants with cells containing 1-3 enlarged chioroplasts (severe type) and (2) plants with cells containing a mixture of many small chioroplasts and 1-3 enlarged chioroplasts (intermediate type). The outward appearance of the severe and intermediate types of the transgenic plants did not differ noticeably from the wild type plants. However, the severe type plants were most retarded in growth under both high and low light conditions, followed by intermediate type plants. The two types of the transgenic plants exhibited comparable growth with wild type plants under medium light conditions. Transgenic tobacco leaf cells showed comparable contents of photosynthetic components such as PSII, PSI, Cyt f, Lhcal and Lhcbl, Rubisco, and total Chlorophylls to those of cells of wild type plants. Further, no appreciable differences were noticed in ultrastructure between the gigantic chioroplasts and those of the wild type. Despite the similarities in photosynthetic components and ultrastructure of photosynthetic machinery between the wild type and transgenic plants, the overall growth of transgenic plants under low and high light conditions was retarded. In the wild type plants the chloroplasts moved toward the face position under low light and toward the profile position under high light conditions. However, chloroplast rearrangement in transgenic plants in response to light conditions was not evident. In addition, transgenic plant leaves showed greatly diminished changes in leaf transmittance values under both light conditions, indicating that chloroplast rearrangement was severely retarded. Therefore, under low light conditions the incomplete face position of the enlarged chloroplasts results in decreased absorbance of light energy. This, in turn, reduces plant growth. Under high light conditions the amount of absorbed light exceeds the photosynthetic utilization capacity due to the incomplete profile position of the enlarged chloroplasts, resulting in photodamage to the photosynthetic machinery, and decreased growth. The presence of a large number of small and/or rapidly moving chloroplasts in the cells of higher land plants permits more effective chloroplast phototaxis and, hence, allows more efficient utilization of low incident photon flux densities. The photosynthetic apparatus is, consequently, protected from damage under high incident photon flux densities.
담배의 색소체 (plastid) 분열에 관여할 것으로 추정되는 FtsZ like protein의 cDNA를 과량 발현(overexpression)하는 형질전환 담배 (Nicotiana tabacum cv. Xanthi)를 제작하였다. 형질전환 담배 식물체 세포내의 색소체는 wild type의 색소체에 비해 수십 배 이상 커졌으며, 숫자는 세포 당 수개로 줄었다. 형질전환 식물체의 후대는 엽록체 (chloroplast)의 수 및 크기에 따라 2 종류로 분류되었다: (1) 세포 당 1-3개의 거대엽록체를 가지는 Severe type과 (2) 한 세포에 거대엽록체와 정상크기의 엽록체가 혼재하는 Intermediate type. 형질전환 식물체는 wild type과 외형상 형태적인 차이를 보이지 않았다. 식물생육 (growth)을 측정한 결과 wild type에 비해서 Severe type은 강한 광 및 약한 광 조건에서 심각한 생육저해를 나타냈으며 Intermediate type 역시 생육저해를 보였다. 그러나 중간광 $(300-400 μmol m^{-2} s^{-1})$ 조건에서는 형질전환 식물체와 wild type 간의 생육차이가 나타나지 않았다. 거대엽록체를 가지는 형질전환식물체는 주요 광합성기구 즉 PSII, PSI, Cyt f, Lhca1, Lhcb1, Rubisco, 엽록소 (chlorophyll)함량 및 비율등에서 wild type과 차이가 없었으며, 엽록체 내부 막구조 역시 특별한 차이가 나지 않았다. Wild type 식물체의 엽록체는 약한 광 조건에서는 빛에 수직방향 (face position)으로 늘어서는 엽록체의 세포 내 재배열 (chloroplast rearrangement, chloroplast movement)이 일어나고, 강한 광 조건에서는 빛에 수평방향 (profile position)으로 늘어서는 엽록체 재배열이 일어난다. 그러나 형질전환 식물체의 거대엽록체는 엽록체의 세포 내 재배열이 뚜렷이 나타나지 않았다. 또한 빛의 투과율 변화폭 역시 wild type처럼 크지 않아서, 형질전환 식물체에서의 거대엽록체는 이동 (재배열)이 심각하게 저해되고 있음을 보여주었다. 따라서 형질전환식물체는, 약한 광에서는 face position으로의 엽록체 이동이 불완전하여 빛 에너지의 흡수양이 줄어서 생육이 저하된 것이며, 강한 광 조건에서는 광합성 능력을 벗어나는 초과광 (excess light)이 비추어 질 때 profile position으로의 엽록체 이동이 불완전하여 광합성기구가 광 저해 (photodamage)를 나타내어 생육이 저하된 것이다. 고등식물이 엽육세포 (mesophyll cell) 내에 커다란 한 두개의 엽록체를 가지지 않고 작고 많은 수의 엽록체를 가지는 것은 다양한 빛 환경변화에 대응하여 빠르게 엽록체가 재배열됨으로써, 약한 광에서는 빛의 흡수를 최대화하고 강한 광에서는 광합성기구(photosynthetic machinery, photosynthetic apparatus)를 보호하여 효과적으로 빛 에너지를 이용하기 위한 것으로 사료된다.
