Universiẗat, Diss.--Halle, 1996.

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.

Die gegenwärtige Vorstellung von Genexpression in Plastiden leitet sich von der Analyse weniger, individueller Gene ab und ist deshalb noch relativ lückenhaft. In dieser Arbeit sollte daher differenzierende RNA Sequenzierung- eine neue Methode, die zwischen prozessierten und Primärtranskripten unterscheiden kann, verwendet werden, um ein vollständigeres Bild des Transkriptionsprozesses und der RNA Prozessierung von Hordeum vulgare L. (Gerste) Chloroplasten zu erhalten. Plastidengene in höheren Pflanzen können sowohl von einer plastidenkodierten, bakterienähnlichen RNA-Polymerase (PEP), als auch von einer kernkodierten, phagenähnlichen RNA-Polymerase (NEP), die beide unterschiedliche Promotoren erkennen, abgelesen werden. In dieser Arbeit wurde die Verteilung von Transkriptionsstartstellen innerhalb des Plastidengenoms von grünen (reife Chloroplasten; Transkriptionsaktivität von PEP und NEP) und weißen Plastiden (Transkriptionsaktivität von NEP) der Gerstenmutantenlinie albostrians analysiert. Dies führte zu neuen Erkenntnissen bezüglich polymerasenspezifischer Genexpression in Plastiden. Auf Grundlage neuerer Arbeiten wird angenommen, daß nicht kodierende RNAs (ncRNAs) in Chloroplasten vorkommen. Die bisher verwendeten Methoden waren jedoch nicht geeignet, ncRNAs als Primärtranskripte zu identifizieren, die zumindest in Prokaryoten die häufigste Klasse von ncRNAs darstellen. In dieser Arbeit konnte durch dRNA-seq gezeigt werden, daß auch in Plastiden zahlreiche ncRNAs als Primärtranskripte generiert werden. Die wichtigsten Schritte im Prozess der mRNA Reifung in Plastiden sind 5´und 3´ Endformation und intercistronische Prozessierung. Vor Kurzem wurde gezeigt, daß ein PPR (Pentatricopeptide repeat) Protein zur Bildung der Ende von einigen prozessierten Plastiden mRNAs beiträgt, indem es als Hindernis für Exonukleasen wirkt. Mit dieser Arbeit konnte gezeigt werden, daß dies ein genereller Mechanismus zur Bildung prozessierter mRNA-Enden in Chloroplasten ist. / The current view on plastid gene expression is mainly based on the analysis of a few individual genes, and thus it is lacking in comprehensiveness. Here, a novel differential RNA-seq approach, designed to discriminate between primary and processed transcripts, was used to obtain a deeper insight into the plastid transcription and RNA maturation of mature barley (Hordeum vulgare L.) chloroplasts. Transcription in plastids of higher plants is dependent on two different transcription machineries, a plastid-encoded bacterial-type RNA polymerase (PEP) and a nuclear-encoded phage-type RNA polymerase (NEP), which recognize distinct types of promoters. This study provided a thorough investigation into the distribution of transcription start sites within the plastid genome of green (mature chloroplasts; transcription by both PEP and NEP) and white (PEP-deficient plastids; transcription by NEP) plastids of the barley line albostrians. This analysis led to new insights on polymerase specific gene expression in plastids. Recent studies have suggested that non-coding RNAs (ncRNAs) are common in chloroplasts. However, they did not directly detect ncRNAs generated via transcription, the so far most abundant class of known regulatory ncRNAs in bacteria. Here, dRNA-seq analysis of the transcriptome of barley chloroplasts demonstrated the existence of numerous ncRNA generated via transcription of free-standing genes. Major events in plastid mRNA maturation include 5’ and 3’ processed end formation and intercistronic processing. Recently, a PPR (pentatricopeptide repeat) protein was shown to participate in the generation of several plastid mRNA processed ends by serving as a barrier to exonucleases. This study provided evidence for the global impact of this mechanism on processed termini formation in chloroplasts.