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.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Transkription mitochondrialer Gene durch die kernkodierten Phagentyp-RNA-Polymerasen RpoTm und RpoTmp der Pflanze Arabidopsis untersucht. Im Mitochondriengenom von Arabidopsis wurden f r 12 Gene Promotoren bestimmt. Diese zeigten verschiedene Sequenzelemente und wichen meist von der f r Dikotyle publizierten Konsensussequenz ab. F r die Mehrheit der Gene wurden multiple Promotoren identifiziert. Es wurden weiterhin Promotoren nachgewiesen, welche die Transkription vermutlich nicht funktioneller Sequenzen aktivieren. Architektur, Lokalisation und Nutzung mitochondrialer Promotoren implizieren eine wenig stringente Kontrolle der Transkriptionsinitiation in Arabidopsis-Mitochondrien. Zur Analyse der Funktionen von RpoTm und RpoTmp wurde ein in vitro-Transkriptionssystem entwickelt. Da RpoT-Enzyme m”glicherweise Kofaktoren ben”tigen, wurde in Arabidopsis nach Genen potentieller mitochondrialer Transkriptionsfaktoren gesucht. Als mitochondriales Protein mit Žhnlichkeit zu mtTFB, einem essentiellen Transkriptionsfaktor in Hefemitochondrien, wurde MetA identifiziert. In in vitro-Assays initiierte RpoTm an verschiedenen Promotoren die Transkription, w„hrend RpoTmp keine signifikante Promotorspezifit„t zeigte. Die spezifische Promotornutzung durch RpoTm erforderte superhelikale DNA. Weder RpoTm noch RpoTmp wurde durch MetA stimuliert. Eine mtTFB-„hnliche Funktion von MetA ist daher unwahrscheinlich. F r MetA wurde ausserdem eine engere phylogenetische Beziehung zu nukle„ren rRNA-Dimethylasen als zu mtTFB ermittelt. Die hier vorgestellten Studien belegen die Transkription mitochondrialer Gene in Arabidopsis durch RpoTm; f r RpoTmp ist eine nicht-redundante Transkriptionsfunktion denkbar. Die Kofaktor-unabh„ngige Spezifit„t von RpoTm f r verschiedene Promotoren und die wenig stringente Initiationskontrolle in vivo legen nahe, dass eine individuelle Regulation mitochondrialer Gene in Arabidopsis auf Transkriptionsebene nicht erfolgt. / Mitochondria depend on a nucleus-encoded transcription machinery to express their genome. The present study examined the transcription of mitochondrial genes by two nucleus-encoded phage-type RNA polymerases, RpoTm and RpoTmp, in the plant Arabidopsis. For selected mitochondrial genes in Arabidopsis, transcription initiation sites were determined. Most genes were found to possess multiple promoters. The identified promoters displayed diverse sequence elements and mostly deviated from a nonanucleotide consensus derived previously for dicot mitochondrial promoters. Several promoters were detected that activate transcription of presumably non-functional sequences. Promoter architecture, distribution and utilization suggest a non-stringent control of transcription initiation in Arabidopsis mitochondria. An in vitro transcription system was set up to elucidate the roles of RpoTm and RpoTmp. Since RpoT enzymes possibly require auxiliary factors, the Arabidopsis genome was screened for potential cofactors of phage-type RNA polymerases. A mitochondrial protein (MetA) with similarity to mtTFB, an essential transcription factor in yeast mitochondria, was identified. In in vitro transcription studies, RpoTm recognized various promoters whereas RpoTmp displayed no significant promoter specificity. Promoter recognition by RpoTm depended on supercoiled DNA templates. Transcription initiation by RpoTm or RpoTmp was not affected by MetA, indicating that MetA is not functionally equivalent to mtTFB. Besides, MetA was found to be more closely related to non-mitochondrial rRNA dimethylases than to mtTFB. The present study establishes RpoTm to transcribe mitochondrial genes; RpoTmp may have a non-overlapping transcriptional role in mitochondria. The cofactor-independent promoter specificity of RpoTm and the apparently non-stringent control of transcription initiation in vivo imply that mitochondrial genes in Arabidopsis may not be regulated individually at the transcriptional level.

Während der Evolution entwickelten sich Promotorelemente von Prokaryonten, Eukaryonten und Plastiden in Sequenz und Struktur unterschiedlich. Ein Transfer von Promotorsequenzen zwischen Prokaryonten, Eukaryonten und Plastiden sollte daher zu keiner effizienten Genexpression führen. Mit dieser Arbeit sollte die Spezifität von Promotoren analysiert und ihre Funktionalität über `kingdom´-Grenzen hinaus untersucht werden. Hierfür wurden zwölf pflanzenspezifische Promotoren, welche in der Gentechnik zur Herstellung von transgenen Pflanzen eingesetzt werden, auf Genexpression in fünf Bakterienarten untersucht. Weiterhin wurden drei bakterielle und sechs Plastiden Promotoren auf Genexpression in Nicotiana tabacum untersucht. Die Frequenz, mit der die pflanzenspezifischen Promotoren (P) in den untersuchten Bakterienarten zu einer Expression führten, lag bei 50 % der getesteten Kombinationen. Für den P ST-LS1 aus Solanum tuberosum wurde eine Expression in den fünf untersuchten Bakterienarten nachgewiesen. Zwei der getesteten pflanzenspezifischen Promotoren, P RolC aus Agrobacterium rhizogenes und P 247 aus N. tabacum zeigten keine Expression in den untersuchten Bakterienarten. Die Charakterisierung der mRNA-Transkripte ausgewählter Fusionen der pflanzenspezifischen Promotoren mit den Reportergenen zeigten eindeutig, dass für die Transkriptionsinitiation durch die bakterielle RNA-Polymerase Sequenzelemente der pflanzenspezifischen Promotoren genutzt wurden. Mit einer ortsspezifischen Mutagenese des P ST-LS1 konnte die von der bakteriellen RNA-Polymerase genutzte -10-Region in Escherichia coli und Acinetobacter sp. ermittelt werden. Die `down-Mutanten´ führten in E. coli und Acinetobacter sp. zu einer Reduktion der Expression, wohingegen sie nach stabiler Integration in das Pflanzengenom von N. tabacum eine unverminderte Expression in bezug auf den Wildtyp-Promotor zeigten. Die Untersuchung der bakteriellen und Plastiden Promotoren ergab nur in einem einzigen Fall von neun getesteten Promotoren eine sehr geringe transiente Expression. / During evolution the promoter elements from prokaryotes, eukaryotes and plastids have developed differently with regard to their sequence and structure, implying that in general a transfer of promoter sequences between prokaryotes, eukaryotes and plastids will not cause an efficient gene expression. The aim of this study was to investigate the specificity of promoter sequences and their functionality in different kingdoms. Therefore 12 different plant-specific promoters, all used for the construction of genetically modified plants, were tested for their capability to direct a gene expression in various bacteria. Furthermore three bacterial and six plastid promoters were tested with respect to their ability to direct a gene expression in Nicotiana tabacum. The frequency of plant-specific promoters (P) directing gene expression in bacteria was 50 % of the combinations analysed. The promoter P ST-LS1 of Solanum tuberosum was functional in all bacteria tested. Two of the plant-specific promoters, P RolC of Agrobacterium rhizogenes and P 247 of N. tabacum, caused no gene expression in the bacteria tested. The characterisation of mRNA-transcripts of fusions between the plant-specific promoter sequences and the reporter genes proved that sequence elements of the plant-specific promoters themselves were used for transcription initiation by the bacterial RNA polymerase. By site-directed mutagenesis of the P ST-LS1 the -10 region used by the bacterial RNA polymerase of E. coli and Acinetobacter sp. was identified. The generated `down-mutants´ of the P ST-LS1 promoter showed a reduction of expression in E. coli and Acinetobacter sp. while these mutants were still fully active after stable integration in the genome of N. tabacum compared to the wildtype promoter. The investigation of the bacterial and the plastid promoters showed a very low transient expression of one out of nine promoters tested.