Chloroplasten höherer Pflanzen haben kleine Genome. Trotzdem ist ihre Transkriptionsmaschinerie sehr komplex. Plastidäre Gene werden von plastidenkodierten (PEP) und kernkodierten RNA-Polymerasen (NEP) transkribiert. In der vorliegenden Arbeit wurden Promotoren plastidärer Gene und Operons von Arabidopsis thaliana charakterisiert. Zur Unterscheidung zwischen NEP- und PEP-Promotoren wurden erstmals spectinomycinbehandelte, chlorophylldefiziente Arabidopsis-Pflanzen mit fehlender PEP-Aktivität verwendet. Obwohl für einige Gene auch einzelne Promotoren lokalisiert wurden, wird die Transkription der meisten plastidären Gene und Operons an multiplen Promotoren initiiert. Der Vergleich plastidärer Promotoren von Tabak und Arabidopsis zeigte eine hohe Vielfältigkeit der Promotornutzung, die möglicherweise auch in anderen höheren Pflanzen vorkommt. Dabei stellt die individuelle Promotornutzung eine speziesspezifische Kontrollmöglichkeit der plastidären Genexpression dar. Das Kerngenom von Arabidopsis beinhaltet zwei Kandidatengene der NEP, RpoTp und RpoTmp, welche Phagentyp-RNA-Polymerasen kodieren. In der vorliegenden Arbeit wurde die Wirkung veränderter RpoTp-Aktivität auf die Nutzung von NEP- und PEP-Promotoren in transgenen Arabidopsis-Pflanzen mit verminderter und fehlender RpoTp-Aktivität untersucht. Im Keimlingsstadium konnten Unterschiede in der Promotornutzung zwischen Wildtyp und Mutanten beobachtet werden. Fast alle NEP-Promotoren wurden in Pflanzen mit verringerter oder fehlender RpoTp-Aktivität genutzt. Dabei zeigten nur einige von ihnen eine geringere Aktivität, andere wiederum waren sogar verstärkt aktiv. Der starke NEP-Promotor des essentiellen ycf1 Gens wurde in jungen Keimlingen ohne funktionelle RpoTp nicht genutzt. Die Ergebnisse zeigen, dass NEP gemeinsam von beiden Phagentyp-RNA-Polymerasen RpoTp und RpoTmp repräsentiert wird und dass beide sowohl eine überlappende, als auch eine spezifische Rolle in der Transkription plastidärer Gene innehaben. / Although chloroplasts of higher plants have small genomes, their transcription machinery is very complex. Plastid genes of higher plants are transcribed by the plastid-encoded plastid RNA polymerase PEP and the nuclear-encoded plastid RNA polymerases NEP. Here, promoters of plastid genes and operons have been characterized in Arabidopsis thaliana. For the first time spectinomycin-treated, chlorophyll-deficient Arabidopsis plants lacking PEP activity have been used to discriminate between NEP and PEP promoters. Although there are plastid genes that are transcribed from a single promoter, the transcription of plastid genes and operons by multiple promoters seems to be a common feature. Comparison of plastid promoters from tobacco and Arabidopsis revealed a high diversity, which my also apply to other plants. The diversity in individual promoter usage in different plants suggests that there are species-specific solutions for attaining control over gene expression in plastids. The nuclear genome of Arabidopsis contains two candidate genes for NEP transcription activity, RpoTp and RpoTmp, both coding for phage-type RNA polymerases. In this study the usage of NEP and PEP promoters has been analysed in transgenic Arabidopsis plants with reduced and lacking RpoTp activity. Differences in promoter usage between wild type and mutant plants were most obvious early in development. Nearly all NEP promoters were active in plants with low or lacking RpoTp activity, though certain promoters showed reduced or even increased usage. The strong NEP promoter of the essential ycf1 gene was not transcribed in young seedlings without functional RpoTp. These results provide evidence for NEP being represented by two phage-type RNA polymerases RpoTp and RpoTmp that have overlapping as well as specific functions in the transcription of plastid genes.

Licht und Pflanzenhormone sind essentiell für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen. Es ist nur wenig darüber bekannt, wie sie die Transkription organellärer Gene beeinflussen. In Arabidopsis thaliana gibt es drei kernkodierte Phagentyp-RNA-Polymerasen (RpoT), welche für die organelläre Transkription verantwortlich sind. Diese werden in die Plastiden (RpoTp), die Mitochondrien (RpoTm) oder zu beiden Organellen (RpoTmp) transportiert. Neben den beiden kernkodierten RNA-Polymerasen (NEP) existiert in den Plastiden eine plastidärkodierte RNA-Polymerase (PEP), welche zusätzliche Sigmafaktoren zur Promotererkennung benötigt. Um die Lichtabhängigkeit der Expression der RpoT Gene sowie NEP-transkribierter Chloroplastengene zu analysieren, wurde die Akkumulation von RpoT- und rpoB-Transkripten in 7-Tage alten Keimlingen unter verschiedenen Lichtbedingungen mittels quantitativer real-time PCR untersucht. Die Änderungen in der Transkriptakkumulation deuten darauf hin, dass rote, blaue und grüne Wellenlängen die Expression der drei RpoT Gene unterschiedlich stark stimulieren. Untersuchungen an verschiedenen Lichtrezeptor-Mutanten zeigten, dass die Lichtinduktion der RpoT Genexpression überaus komplex ist und ein interagierendes Netzwerk aus multiplen Rezeptoren und Transkriptionsfaktoren an der Signalweiterleitung beteiligt ist. Das Phytohormon Cytokinin wird durch Histidin Kinase Rezeptoren (AHK) detektiert. Es gibt drei unterschiedliche Rezeptoren: AHK2, AHK3 und AHK4. Diese sind Teil eines Zwei-Komponenten-Systems, welches Signale mit Hilfe einer Phosphorylierungskette überträgt. Der Einfluss von Cytokinin auf die plastidäre Transkription wurde mit Hilfe von Cytokininrezeptor-Mutanten untersucht, um die Funktion von AHK2, AHK3 und AHK4 zu analysieren. Um weitere Informationen darüber zu erhalten, wie die plastidäre Transkription durch PEP mittels Cytokinin reguliert wird, wurden die Hormoneffekte auf die plastidäre Transkription in Sigmafaktor-Mutanten untersucht. / Light and plant hormones are essential for plant growth and development. Only little information is available about how these signals influence the transcription of organellar genes. Arabidopsis thaliana possesses three nuclear-encoded phage-type RNA polymerases (RpoT) for organellar transcription. They are imported into plastids (RpoTp), mitochondria (RpoTm), or into both organelles (RpoTmp). Besides the two nuclear-encoded plastid polymerases (NEP), plastids contain an additional plastid-encoded RNA polymerase (PEP), which needs additional sigma factors for promoter recognition. Interested in the expression of RpoT genes and NEP-transcribed plastid genes in response to light we analyzed transcript levels of RpoT and rpoB genes in 7-day-old wild-type plants under different light conditions by quantitative real-time-PCR. The observed changes in transcript accumulation indicated that red, blue, and green light differentially stimulated the expression of all three RpoT genes. Further analyses using different photoreceptor mutants showed that light induction of RpoT gene expression is surprisingly complex based on a network of multiple photoreceptors an d downstream pathways. Cytokinin signals are perceived by the histidine kinase (AHK) receptor family. There exist three different membrane-bound receptors: AHK2, AHK3 and AHK4/CRE1. These receptors are part of a two-component signaling system which transfers signals via phosphorelay mechanisms. Interested in the potential role of AHK2, AHK3 and AHK4/CRE1 in the transduction of cytokinin signals into the chloroplast, we analyzed the influence of cytokinin on plastidial transcription in receptor mutants. To gain more information on how plastid transcription by PEP is regulated by cytokinin, the influence of cytokinin in sigma factor mutants was also studied.

Zusätzlich zu der eubakteriellen RNA-Polymerase (RNAP) der Plastiden sind im Zellkern von Arabidopsis thaliana drei weitere, phagentypische RNAP kodiert, die jeweils aus nur einer Einheit aufgebaut sind. Die Enzyme RpoTp und RpoTm werden in die Plastiden, bzw. die Mitochondrien transportiert, während RpoTmp in beiden Organellen zu finden ist. Um die Lichtabhängigkeit der RpoT-Gene zu untersuchen, wurde die lichtinduzierte Akkumulation ihrer Transkripte in 7-Tage alten Keimlingen, sowie 3- bzw. 9-Wochen alten Rosettenblättern mittels quantitativer real-time PCR ermittelt. Die entwicklungsabhängige Regulation der RpoT-Transkript-Akkumulation wurde außerdem während der Blattentwicklung analysiert. Zusätzlich wurde der Einfluss des circadianen Rhythmus untersucht. Es stellte sich heraus, dass die Transkriptakkumulation aller drei RpoT-Gene stark lichtinduziert war und nur marginalen circadianen Schwankungen unterlag. In weiteren Versuchen mit verschiedenen Lichtrezeptor-Mutanten und unterschiedlichen Lichtqualitäten wurde der Einfluss multipler Rezeptoren auf den Prozess der Lichtinduktion gezeigt. In den Zellen höherer Pflanzen finden sich drei Genome. Die Biogenese von Chloroplasten und Mitochondrien, sowie lebenswichtige Prozesse, wie Atmung und Photosynthese setzen oftmals die Aktivität von Genen auf mindestens zwei dieser Genome voraus. Eine intrazelluläre Kommunikation zwischen den verschiedenen Genomen ist daher unumgänglich für einen funktionierenden Stoffwechsel der Pflanze. In dieser Arbeit wurde herausgestellt, dass die Zahl mitochondrialer Genkopien in photosynthetisch inaktiven Arabidopsis-Keimlingen drastisch erhöht ist. Bei der Untersuchung des DNA-Gehaltes in Proben, die Altersstufen von 2-Tage alten Keimblättern bis hin zu 37-Tage alten, seneszenten Rosettenblättern umfassten, fand sich ein deutlicher Anstieg der Kopienzahlen in älteren Rosettenblättern. Außerdem unterschieden sich die Kopienzahlen der untersuchten Gene zum Teil erheblich voneinander. / In addition to eubacterial-like multi-subunit RNA polymerases (RNAP) localized in plastids and the nucleus, Arabidopsis thaliana contains three phage-like single-unit, nuclear-encoded, organellar RNAPs. The enzymes RpoTp and RpoTm are imported into plastids and mitochondria, respectively, whereas RpoTmp shows dual targeting properties into both organelles. To investigate if expression of the RpoT genes is light-dependent, light-induced transcript accumulation of RpoTm, RpoTp and RpoTmp was analyzed using quantitative real-time-PCR in 7-day-old seedlings as well as in 3- and 9-week-old rosette leaves. To address the question whether RpoT transcript accumulation is regulated differentially during plant development transcript abundance was measured during leaf development. Additionally, effects of the plants circadian rhythm on RpoT transcript accumulation were analyzed. Transcripts of all three RpoT genes were found to be strongly light-induced even in senescent leaves and only marginally influenced by the circadian clock. Further analyses employing different photoreceptor mutants and light qualities revealed the involvement of multiple receptors in the light-induction process. The biogenesis of mitochondria and chloroplasts as well as processes like respiration and photosynthesis require the activity of genes residing in at least two distinct genomes. There have to be ways of intracellular communication between different genomes to control gene activities in response to developmental and metabolic needs of the plant. In this study, it was shown that gene copy numbers drastically increased in photosynthetically inactive Arabidopsis seedlings. Mitochondrial DNA contents in cotyledons and leaves ranging in age from 2-day-old cotyledons to 37-day-old senescent rosette leaves were examined. A common increase in senescing rosette leaves and drastic differences between individual genes were found, revealing the importance of an integrative chondriome in higher plant cells.