Die Transkription der Chloroplasten ist erstaunlich komplex. Ihr relativ kleines Genom kodiert für Komponenten der Photosynthese und der eigenen Genexpressionsmaschine. Es wird mindestens durch zwei RNA Polymerasen transkribiert. Neben der plastidär kodierten RNA Polymerase (PEP), existiert mindestens eine weitere kernkodierte RNA Polymerase (NEP). Die PEP spielt eine wichtige Rolle bei der Expression der Photosynthesegene und ist essentiell für die Biogenese der Chloroplasten und schließlich für das Überleben der Pflanzen. In der vorliegenden Arbeit wird erstmals die spezifische Interaktion der PEP mit ihren Transkriptionseinheiten unter verschiedenen Lichtbedingungen in vivo auf plastomweiter Ebene gezeigt. Darunter befinden sich hauptsächlich DNA Fragmente, die Photosynthesegene repräsentieren. Außerdem zeigt die PEP eine eindeutige Präferenz zu den rRNA Genen und einigen tRNA Genen. Eine Reduktion dieser Assoziation der PEP in Dunkelperioden lässt einen lichtabhängigen Prozess bei der PEP-DNA Assoziation vermuten. Außerdem wurde die PEP Aktivität an den bestimmten DNA Regionen in vivo ermittelt durch die Analyse naszierender Transkripte. Ein Großteil der plastidären RNA Spezies kopräzipitiert mit der PEP, aber sie scheint präferentiell mit tRNAs zu interagieren. Die Analyse der Verteilung der PEP bewies erstmals, dass sie hauptsächlich mit den Membranen assoziiert. Dort befindet sich auch das transkriptionsaktive Chromosom (TAC). Im TAC wurden vor kurzem neben der PEP auch Mitglieder von RNA Prozessierungsfaktoren identifiziert, was auf eine mögliche Kopplung von Transkription und posttranskriptionellen Prozessen hindeutet. Für einen Einblick in dieses Interaktionsnetzwerk wurden Transkriptanalysen des TACs ausgeführt. Mit wenigen Ausnahmen assoziieren alle plastidären RNA Spezies mit dem TAC. Einige RNAs liegen bereits prozessiert vor, was eine Verbindung zwischen Transkription und posttranskriptionellen Prozessen noch im TAC vermuten lässt. / Chloroplast transcription is astonishingly complex. The relative small genome of plastids, which codes for components of the photosynthetic machinery as well as for components of their own gene expression machinery, is transcribed by at least two different RNA polymerases. Beside the plastid-encoded plastid RNA polymerase (PEP) a nuclear-encoded plastid RNA polymerase (NEP) exists as well. PEP plays a major role in the expression of photosynthesis genes and is essential for chloroplast biogenesis and thus for plant survival. This work shows the specific in vivo interaction between PEP and its transcription units under different light conditions on a plastome-wide scale. Among them are DNA fragments that represent photosynthetic genes. In addition, PEP shows clear preferences to rRNA and tRNA genes. Furthermore, the association of PEP with photosynthesis-related genes was reduced during the dark period, indicating that PEP-DNA association is a light-dependent process. To survey PEP activity in vivo on plastid DNA regions, the association to nascent transcripts was analyzed. The majority of plastid RNA species could be found in PEP precipitates, but PEP seems to interact more strongly with tRNAs. Analysis of the suborganellar distribution of PEP shows that PEP is preferably associated with chloroplastmembranes. The transcriptionally active chromosome (TAC) was also found to be membrane-attached. Beside PEP different RNA processing factors were identified within the TAC and related purifications, indicating a possible coupling of transcription and posttranscriptional processes. To gain more insights into this interaction network, transcripts of TAC were analyzed. It is shown that nearly all plastid RNA species with only a few exceptions are associated to the TAC and that at least selected transcripts are already processed. This indicates that there is a link between transcription and posttranscriptional processes already within the TAC.

In Chloroplasten durchlaufen primäre Transkripte eine großen Anzahl von bzw. Reifungsprozesse. Diese Ereignisse spielen eine wichtige Rolle bei der Regulation der Genexpression und sind im Wesentlichen durch Proteinfaktoren, insbesondere RNA-Bindeproteine, reguliert. Der plastidäre Spleißfaktor MatK zählt zu den prokaryotischen Gruppe-II-Intron. MatK aus Nicotiana tabacum interagiert mit seinem Heimatintron trnK und sechs weiteren Gruppe IIA Introns. In dieser Untersuchung, MatK-Bindestellen konnten unterschiedlichen Regionen der Gruppe-II-Introns zugewiesen werden mit RIP-seq in Nicotiana tabacum. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass MatK im Vergleich zu seinen bakteriellen Vorfahren an Vielseitigkeit in der RNA-Erkennung gewonnen hat. MatK zeigt somit beispielhaft, wie eine Maturase die Fähigkeit erworben haben könnte, in trans auf mehrere Introns zu wirken. Quantitative Untersuchung und mathematische Modellierung der Expression von MatK und dessen Zielen offenbart ein komplexes Muster möglicher regulatorischer Feedback-Mechanismen. In dieser Studie konnte ein möglicher Feedback- Mechanismus durch Analyse von polysomal gebundenen Transkripten ausgeschlossen werden. Stabile Bindung von Proteinen an spezifische RNA-Bindestellen und anschließender Abbau der ungeschützten RNA kann zu Akkumulation von kleinen RNAs (sRNAs) führen. Solche Footprints von RNA-Bindeproteinen wurden durch die Untersuchung von Datensätzen kleiner RNAs in Chlamydomonas reinhardtii identifiziert. Zwei der sRNAs entsprechen den 5'' Enden der reifen psbB und psbH mRNAs. Beide sRNAs sind abhängig von Mbb1, einem TPR (Tetratrico-peptide repeat) Protein. Die beiden sRNAs besitzen eine hohe Ähnlichkeit in ihrer Primärsequenz und fehlen in der mbb1 Mutante. Dies legt nahe, dass auch andere der hier identifizierten sRNAs an 5'' Enden plastidärer mRNAs Protein-Bindestellen repräsentieren, die für die korrekte RNA-Prozessierung und RNA-Stabilisierung in Chlamydomonas Chloroplasten erforderlich sind. / In chloroplasts, primary transcripts are subjected to a number of processing events. These events play important roles in the regulation of gene expression and are extensively controlled by protein factors, especially by RNA-binding proteins. Chloroplast splicing factor MatK is related to prokaryotic group II intron maturases. Nicotiana tabacum MatK interacts with its home intron trnK and six additional group IIA introns. In this study, binding sites of MatK were narrowed down to varying regions of its group II targets by RIP-seq in Nicotiana tabacum. The results obtained demonstrate that MatK has gained versatility in RNA recognition relative to its bacterial ancestors. MatK thus exemplifies how a maturase could have gained the ability to act in trans on multiple introns during the dispersion of the group II introns through the eukaryotic genome early in the eukaryote evolution. Quantitative investigation and mathematical modeling of the expression of MatK and its targets revealed a complex pattern of possible feedback regulatory interactions. In this study, one possible feedback regulation mechanism was ruled out by the analysis of polysome associated transcripts. Stable binding of proteins to specific RNA sites and subsequent degradation of the unprotected RNA regions can result in small RNA, footprint of the RNA binding protein. Such footprints were identified by examining small RNA datasets of Chlamydomonas reinhardtii. Two of the sRNAs correspond to the 5’ ends of mature psbB and psbH mRNAs. Both sRNAs are dependent on Mbb1, a nuclear-encoded TPR (Tetratrico-peptide repeat) protein. The two sRNAs have high similarity in primary sequence, and both are absent in the mbb1 mutant. This suggests that sRNAs at the 5’ ends of chloroplast mRNAs identified here generally represent the binding sites of proteins, which function in RNA processing and RNA stabilization in Chlamydomonas chloroplast.

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.

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.

Plastiden enthalten ihr eigenes Genom, das u.a. für Untereinheiten des photosynthetischen Apparates kodiert. Die Expression dieses Apparates wird hauptsächlich posttranskriptionell reguliert. Dafür notwendige Faktoren sind vor allem RNA-Bindeproteine, welche fast ausschließlich kernkodiert und posttranslational in die Plastiden importiert werden. Dazu gehören auch die äußerst abundanten chloroplastidären Ribonukleoproteine (cpRNPs). Die bisher näher untersuchten Mitglieder der cpRNP-Familie aus Arabidopsis thaliana sind an der Prozessierung und Stabilisierung von plastidären Transkripten beteiligt und phylogenetisch eng miteinander verwandt. In dieser Studie wurden zwei noch unbekannte Mitglieder der cpRNP Familie, CP33A und CP33B, näher untersucht. CP33A ist ein essentielles Protein der Chloroplastenbiogenese. Mutanten von CP33A keimen nur in der Gegenwart einer externen Kohlenstoffquelle. Die Blätter sind albinotisch, in ihrer Struktur anomal und das gesamte Wachstum ist stark eingeschränkt. Untersuchungen der RNA-Interaktionspartner von CP33A durch RIP-Chip-Analysen (RNA-Immunopräzipitation und Chip-Hybridisierung) zeigen, dass CP33A mit allen mRNAs assoziiert. Des Weiteren führt der Verlust von CP33A zu einer starken Reduktion vieler Transkripte, vor allem RNAs, die durch die plastidär kodierte RNA Polymerase (PEP) transkribiert werden und unprozessierte Vorläufer-Transkripte. CP33B interagiert ebenfalls mit multiplen plastidären RNAs. Dabei zeigt CP33B eine Präferenz für psbA. Feinkartierung der CP33B-Bindung innerhalb des psbA Leserahmens verdeutlichten, dass CP33B vor allem mit dem 3´Ende des Transkriptes interagiert. Phänotypische und genetische Untersuchungen der cp33b-Nullmutante ließen keinen vom Wildtyp abweichenden Phänotyp identifizieren und zeigten dass CP33B keinen essentiellen Einfluss auf die Proteinakkumulation photosynthetischer Untereinheiten, die Expression plastidärer Transkripte, das Spleißen und die Edierung seiner Ziel-RNAs hat. / Plastids harbour their own genome, which encodes for essential subunits of the photosynthetic apparatus. The expression of these subunits is mainly regulated on the posttranscriptional level. The important factors for posttranscriptional processing are RNA-binding proteins (RBPs), which are almost exclusively nuclear-encoded and imported posttranslational into the plastids. Among them are the chloroplast ribonucleoproteins (cpRNPs). The cpRNPs are a family of highly abundant RNA-binding proteins found in the chloroplast of land plants. Members of the Arabidopsis thaliana cpRNP family, that have been investigated in more detail, are involved in processing and stabilization of plastid transcripts and are phylogenetically closely related. In this study two unknown members of the cpRNPs, CP33A and CP33B, which cluster outside of this phylogenetic group, are investigated. CP33A is essential for chloroplast biogenesis. Null alleles of CP33A only germinate in the presence of an external carbon source. cp33a seedlings are albino, show strong growth inhibition and an abnormal leaf structure. Investigating RNA-ligands of CP33A using RIP-Chip (coimmunoprecipitation coupled to microarray analysis) shows an association with all chloroplast mRNAs. The loss of CP33A leads to a reduction of almost all transcripts, predominantly affecting RNAs transcribed by the plastid-encoded RNA polymerase (PEP) and unspliced and unprocessed precursor mRNAs. CP33B also interacts with multiple plastid RNAs. The main target is the mRNA of psbA. More than 90% of the stromal psbA mRNA is associated with CP33B. Fine mapping efforts suggest that CP33B preferentially interacts with the 3’-end of the psbA reading frame. Phenotypic and genetic analyses of cp33b-null mutants do not show any differences compared to wild-type plants. CP33B has no essential impact on: Protein accumulation of photosynthetic subunits, expression of plastid transcripts, RNA-splicing or RNA-editing of its target RNAs.

In dieser Arbeit wurde die plastidäre Genexpression hinsichtlich zweier Aspekte untersucht: der Cytokinineinfluss auf die plastidäre Transkription und ihrer Komponenten sowie eine in vivo-Charakterisierung von PrpoB-345, des Promotors des rpoB-Operons im Tabak. Cytokinine beeinflussen die Chloroplastenbiogenese und –funktion. Um den Einfluss von Cytokinin auf die plastidäre Genexpression zu untersuchen, wurden run-on-Transkriptionsassays und quantitative real-time RT-PCR von BA-behandelten seneszenten Tabakblättern und sieben-Tage-alten Arabidopsis- und Tabakpflanzen durchgeführt. Zeitreihenanalysen zeigten eine Aktivierung der plastidären Transkription in jungen Pflanzen und im seneszenten Tabak 2 h bzw. 3 h nach BA-Applikation. Abgeschnittene Blätter von Tabakmutanten mit konstitutiv reduziertem Cytokiningehalt antworteten bereits nach 30 min der Hormonbehandlung. Es gibt jedoch keinen eindeutigen Hinweis für eine direkte Korrelation zwischen der Expression der nukleär kodierten Phagentyp-RNA-Polymerasen und der BA-induzierten transkriptionellen Aktivierung der Plastidengene. Zusammengefasst, scheint die Antwort auf exogenes Cytokinin vom physiologischen Status der Chloroplasten, die von der Pflanzenart sowie vom endogenen Cytokiningehalt beeinflusst werden, abzuhängen. Plastidäre Gene höherer Pflanzen werden von mindestens zwei RNA-Polymerasen transkribiert: die plastidär kodierte RNA-Polymerase vom Bakterientyp (PEP) und die kernkodierte Phagentyp-RNA-Polymerase (NEP). NEP transkribiert das rpoB-Operon, das drei von vier Untereinheiten der PEP kodiert. Transkriptions- und Transkriptanalysen von rpoB-Promotor-Deletionsmutanten ergaben Hinweise auf mögliche Regulationsstellen der Kontrolle der rpoB-Transkription. Neben PrpoB-345 konnten zwei weitere Promotoren kartiert werden. Einer von ihnen ist ein putativer PEP-Promotor, der auf autoregulatorische Rückkopplungsmechanismen bei der PEP-Expression hindeutet. / In this study, plastid gene expression was analyzed focusing on two aspects: the effect of cytokinin on plastid gene transcription and its components, and the in vivo characterization of PrpoB-345, the promoter of the rpoB operon in tobacco. Cytokinins are involved in the control of chloroplast biogenesis and function. To study cytokinin effects on plastid gene expression, chloroplast run-on transcription and quantitative real-time RT-PCR from senescent tobacco leaves as well as Arabidopsis and tobacco seedlings after BA treatment were performed. Analyses of time series revealed that BA-induced changes in plastid gene expression are seemingly under circadian and homeostatic control. After 2 h and 3 h of incubation with cytokinin, a stimulation of chloroplast transcription could be observed in seedlings and senescent leaves, respectively. Detached leaves of tobacco mutants with reduced endogenous cytokinin content responded even faster to BA (30 min). There is no indication of direct correlation of the expression of nuclear-encoded plastid phage-type RNA-polymerases and the BA-induced transcriptional activation of plastid genes. In summary, the responsiveness to exogenous cytokinin depends on the physiological status of chloroplasts influenced by plant species and endogenous cytokinin pool. Plastid genes of higher plants are transcribed by at least two RNA polymerases: the plastid-encoded eubacterial-type RNA polymerase (PEP) and the nucleus-encoded phage-type RNA polymerase (NEP). NEP transcribes the rpoB operon encoding three of four subunits of PEP. Transcription and transcript analyses from rpoB promoter deletion mutants indicated putative regulatory sites of control of rpoB transcription which may also interact with (cytokinin-regulated) specificity factors. Beside PrpoB-345, two additional rpoB promoters could be mapped. One of them is a putative PEP promoter which may imply autoregulatory loops of PEP expression.