In der vorliegenden Arbeit wurde der spezifische Einfluss verschiedener kernkodierter phagentypischer RNA Polymerasen auf die organelläre Genexpression in Physcomitrella und die mitochondrial Genexpression in Arabidopsis untersucht. Während das Fehlen von AtRpoTm in Arabidopsis und PpRpoTmp1 in P. patens lethal ist, wurden Insertionsmutanten für PpRpoTmp2 und AtRpoTmp einer detailierten Untersuchung unterzogen. Sowohl PprpoTmp2, als auch AtrpoTmp Pflanzen zeigten Abweichungen im Phänotyp charakteristisch für mitochondriale Dysfunktion. Identifizierte organelläre Promotoren in P. patens wurden zum Nachweis der Transkriptionsaktivität von PpRpoTmp1 und PpRpoTmp2 in vitro herangezogen. Beide Proteine besitzen die inhärente Fähigkeit zur Promotorerkennung ohne zusätzliche Kofaktoren. Die hier vorgestellten Studien unterstreichen die essentielle Bedeutung von AtRpoTm und PpRpoTmp1 für die Transkription mitochondrialer bzw organellärer Gene in Arabidopsis und P. patens. Im Gegensatz dazu können die Funktionen von AtRpoTmp und PpRpoTmp2 partiell durch andere organelläre RNAPs ersetzt werden. Phänotypische Abweichungen belegen jedoch, das AtRpoTmp und PpRpoTmp2 für die normale Entwicklung von Arabidosis bzw. P. patens essentiell sind. Veränderte Transkriptmengen in AtrpoTmp Pflanzen korrelierten mit genspezifischen Änderungen in der mitochondrialen Transkription. AtRpoTmp muss daher als essentiel für die normale Expression eines spezifischen Sets mitochondrialer Gene angesehen werden. Jedoch konnten für diese mitochondrialer Gene keine AtRpoTmp spezifischen Promotormotive mit reduzierter Aktivität identifiziert werden. Initiationsraten an allen Promotoren stromaufwärts von mitochondrialen Genen mit geringeren Transkriptmengen sind jedoch reduziert. Es erscheint daher wahrscheinlich, daß für einen Teil der mitochondrialen Gene genspezifische Elemente existieren, welche die Transkription durch AtRpoTmp dirigieren. / This study aimed to elucidate how the different transcriptional activities are facilitated in mitochondria of Arabidopsis thaliana and in both organelles of Physcomitrella patens. Insertional mutants for PprpoTmp2 and AtrpoTmp were analysed in detail. As for Arabidopsis RpoTm, knock-out of Physcomitrella RpoTmp1 was found to be lethal. Null mutant plants PprpoTmp2 and AtrpoTmp show surprisingly similar but clearly convergent phenotypical aberrations reminiscent of phenotypes reported for other mitochondrial mutants. Evidence is provided that PpRpoTmp1 and PpRpoTmp2 are functional RNA polymerases, which both posses the inherent ability to recognize organellar promoters in a minimal in vitro transcription system without the aid of additional cofactors. The data suggest that coding for two RpoT proteins one representing an enzyme with a high portion of non-specific transcriptional activity, as seen for AtRpoTmp and PpRpoTmp1 and one that can act as a single-polypeptide enzyme and recognize numerous mitochondrial promoters in vitro as AtRpoTm and PpRpoTmp2 echo convergent inventions but reflect complementing roles of these RNA polymerases in plant mitochondrial transcription. Phenotypical aberrations of rpoTmp2 plants suggest RpoTmp2 is important for normal growth and development. Altered transcript levels in AtrpoTmp were found to result from gene-specific transcriptional changes, establishing that AtRpoTmp functions in distinct transcriptional processes within mitochondria. Decreased transcription of a specific set of mitochondrial genes in AtrpoTmp was not associated with changes in the utilisation of specific promoters. Therefore AtRpoTmp function is not promoter-specific but gene-specific. This indicates that additional gene-specific elements direct the transcription of a subset of mitochondrial genes by RpoTmp.

Die Transkription in Plastiden höherer Pflanzen erfolgt durch die plastidärkodierte, bakterienähnliche RNA-Polymerase PEP und die kernkodierten Phagentyp-RNA-Polymerasen RpoTp und RpoTmp (NEP). Da für NEP bislang keine Transkriptionsfaktoren identifiziert wurden, wurden die entsprechenden Enzyme aus A. thaliana und N. tabacum mit verschiedenen, N-terminalen Epitopen in E. coli exprimiert und für pulldown assays zur Identifikation interagierender Proteine eingesetzt. Des Weiteren wurden Epitop-markierte Tabak RpoTp und Arabidopsis RpoTp und -Tmp in vivo exprimiert und zur Co-IP verwendet. In diesen Studien wurden als potentielle Interaktionspartner von RpoTp Ycf1 und Ycf2 gefunden. Des Weiteren konnte mit 3xFLAG-RpoT-exprimierenden Arabidopsis-Mutanten gezeigt werden, dass RpoTp und -Tmp teilweise membranassoziiert sind. Außerdem wurde die duale Lokalisation der Arabidopsis RpoTmp in den Chloroplasten und Mitochondrien nachgewiesen. Mittels RIP-Chip wurden mit RpoTp assoziierte RNAs analysiert und mögliche, bisher unbekannte NEP-Transkripte gefunden. Plastidäre Haushaltsgene besitzen meist sowohl PEP- als auch NEP-Promotoren. Anhand transplastomischer Tabakpflanzen, in denen NEP-Promotoren von accD , rpoB und rrn16 gegen einen PEP-Promotor ausgetauscht bzw. durch Mutagenese ausgeschaltet wurden, sollte die Arbeitsteilung von NEP und PEP in Abhängigkeit vom Entwicklungsstadium beleuchtet werden. Dabei wurde gezeigt, dass die Transkription durch PEP für accD zu einer leichten Überexpression, für rpoB hingegen zu einer verzögerten Entwicklung und verringerten Transkriptmengen führte. Zudem wurden durch RNA-Seq die Aktivierung zusätzlicher TSSs in den Mutanten gezeigt, welche die Effekte auf RNA- und Proteinebene erklärte, und der alternative Promotor PaccD-158 identifiziert, welcher auch im Wildtyp genutzt wird. Es wird diskutiert, inwiefern die Rolle von NEP und PEP individuell für einzelne Gene in Abhängigkeit ihrer jeweiligen Funktion betrachtet werden muss. / The transcription in plastids of higher plants is accomplished by the plastid encoded, bacterial-type RNA polymerase PEP and by the nuclear encoded, phagetype RNA polymerases RpoTp and RpoTmp (NEP). As the identification of transcription factors for NEP failed so far, in this work the corresponding enzymes from A. thaliana and N. tabacum containing different, N-terminally fused epitope tags were expressed in E. coli and used for pulldown assays to identify interacting proteins. Furthermore epitope-tagged tobacco RpoTp and Arabidopsis RpoTp and -Tmp were expressed in vivo and applied for co-immunoprecipitation. In these studies Ycf1 and Ycf2 were found as potential interaction partners of RpoTp. In addition, the 3xFLAG-RpoT-expressing Arabidopsis mutants were used to show, that RpoTp and -Tmp are partly associated with the thylakoid membrane. Further, immunoblot assays confirmed the dual localization of the Arabidopsis RpoTmp in chloroplasts as well as in mitochondria. Moreover, via RIP-Chip analyses RNAs associated with RpoTp were analysed and potential new NEP transcripts were found. Most plastidial housekeeping genes possess PEP as well as NEP promoters. The division of labor between NEP and PEP according to the developmental stage was studied on the basis of transplastomic tobacco plants, in which NEP promoters of accD, rpoB and rrn16 have been exchanged with a PEP promoter or knocked out by mutagenesis. It was shown, that transcription of accD by PEP lead to a slight overexpression, but PEP-dependent transcription of rpoB led to a delayed development and decreased transcript levels. Via RNA-seq an activation of additional TSSs could be shown in the mutants, which explains the effects on RNA and protein level, and the alternative promoter PaccD-158 was identified, that is also used in the wildtype. It is discussed, how the roles and the division of labor of NEP and PEP should be considered individually for each gene according to its function.