Das Leben auf der Erde wird maßgeblich durch die Kraft der oxygenen Photosythese bestimmt, die Sonnen- in chemische Energie umwandelt. Cyanobakterien wie Prochloro- und Synechococcus zählen zu den wichtigsten primären Produzenten der Ozeane und werden zunehmend als Modelle für photosynthetische Organismen genutzt. Um die Regulationsmechanismen dieser Picocyanobakterien besser zu verstehen, wurde hier die Information von vier Genomen hochgradig verwandter aber dennoch ökologisch unterschiedlich angepasster mariner Stämme genutzt in einer Kombination aus computer-gestützten und experimentellen Untersuchungen. Sequenzsignale und RNA-kodierende Gene wurden als neuartige Regulationselemente identifiziert und entlang des phylogenetischen Gradienten verglichen. Mittels ''phylogenetic footprinting'' konnte ein minimales, konserviertes Set möglicher Transkriptionsfaktoren, deren Bindestellen und Regulons aufgedeckt werden. NtcA-, LexA- und ArsR-ähnliche Motive wurden ebenso gefunden wie neue regulatorische Elemente. Mit Hilfe von RACE Experimenten wurden einige der vorhergesagten Bindestellen Promotorregionen zugeordnet. Eine Suche nach konservierten Sekundärstrukturen detektierte mehrere nicht-kodierende RNAs, benannt Yfr für cYanobacterial Functional RNA. Eine vergleichende Analyse von Yfr7 innerhalb der cyanobakteriellen Linie ergab, dass diese RNA wahrscheinlich ein Homolog der E. coli 6S RNA ist. Zwei verschiedene Yfr7 Transkripte mit einem zirkadianen aber zeitversetzten Akkumulationsmuster lassen eine Verknüpfung ihrer Expression mit dem zirkadianen Rhythmus oder der Lichtintensität vermuten. Experimente in Synechocystis deckten einen neuartigen Regulationsmechanismus durch eine antisense RNA auf, welche die Menge der isiA mRNA kontrolliert und die Assemblierung von IsiA-Superkomplexen beeinflusst. Die funktionelle Zuordnung dieser neuen Elemente wird zu einem besseren Verständnis regulatorischer Netzwerke in marinen Cyanobakterien und darüber hinaus führen. / Life on Earth is driven by the power of oxygenic photosynthesis transforming solar into chemical energy. Cyanobacteria such as Prochlorococcus and Synechococcus belong to the most important primary producers within the oceans and increasingly serve as models for photosynthetic organisms. To better understand the regulatory mechanisms in these picocyanobacteria, here the information from four genomes of closely related and even so ecologically divergent marine strains was used in a combined computational and experimental approach. Sequence signals and RNA-coding genes as novel elements in the regulation of gene expression were identified and their distribution along the phylogenetic gradient compared. Phylogenetic footprinting revealed a minimal conserved set of putative transcription factors, their binding sites and regulons. Sites for NtcA, LexA and ArsR-like regulators were found as well as new cis elements. RACE experiments verified several of these predicted sites belonging to the promoter region. A search, focussing on conserved secondary structures, detected several non-coding RNAs named Yfr for cYanobacterial Functional RNA. A comparative analysis of Yfr7 structures, transcript types and accumulation throughout the cyanobacterial radiation indicated this RNA as the likely homologue of the E. coli 6S RNA. Two distinct Yfr7 transcripts with a circadian but time-shifted expression pattern suggested a coupling of their expression to the circadian rhythm or light intensity. Experiments in Synechocystis discovered a novel antisense RNA-mediated regulatory mechanism that controls isiA mRNA abundance and assembly of IsiA-photosystem I supercomplexes. Functional assignments of these new elements in the future will contribute to a deeper understanding of the regulatory network of marine cyanobacteria and promote new studies on bacterial ncRNAs.

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.