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.

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 Gesamtheit mitochondrialer Gene sowie ein Teil der plastidären Gene photosynthetischer Eukaryoten wird durch kernkodierte Phagentyp-RNA-Polymerasen transkribiert. In der vorliegenden Arbeit wurden unter Verwendung eines homologen in vitro-Transkriptionssystems, die spezifischen Funktionen der Phagentyp-RNA-Polymerasen RpoTm, RpoTp und RpoTmp aus Arabidopsis untersucht. Während RpoTmp keine Präferenz für die angebotenen Promotoren zeigte, transkribierten RpoTm und RpoTp eine überlappende Gruppe mitochondrialer und plastidärer Promotoren vielfältiger Architektur. RpoTm und RpoTp präsentierten eine Kofaktor-unabhängige Fähigkeit zur Promotorerkennung bei Angebot superhelikaler DNA-Matrizen. Eine selektive Promotornutzung sowie die Unfähigkeit zur spezifischen Transkription linearer Promotormatrizen in vitro implizieren die Assoziation zusätzlicher, in die Promotorerkennung und/oder DNA-Aufschmelzung involvierter Kofaktoren in vivo. Die in vitro-Erkennung mitochondrialer Promotoren durch eine plastidäre Phagentyp-RNA-Polymerase (und umgekehrt) sowie weitere Ähnlichkeiten der Transkriptionsapparate der Mitochondrien und Plastiden, wie die strukturelle Organisation ihrer Promotoren und die phylogenetische Herkunft ihrer kernkodierten Transkriptasen inspirierte in planta Studien zur spezifischen Transkription eines mitochondrialen Promotors in den Plastiden. Hierzu wurde die Expression des nptII-Reportergens unter Kontrolle des mitochondrialen PatpA-Promotors aus Oenothera in transplastomischen Tabakpflanzen analysiert. Die durchgeführten Studien belegen eine korrekte Transkription des mitochondrialen PatpA-Promotors durch eine plastidäre Phagentyp-RNA-Polymerase in in vitro-Transkriptionsassays sowie in transplastomischen Tabakpflanzen. Diese Resultate enthüllen weitere unerwartete Ähnlichkeiten der organellären Genexpression, die aufschlussreiche evolutionäre Einblicke erlauben und verbesserte Anwendungen zur Manipulation plastidärer Genome ermöglichen könnten. / All mitochondrial and a subset of plastidial genes of photosynthetically active eukaryotes are transcribed by nuclear-encoded, phage-type RNA polymerases. In this study, a homologous in vitro transcription system was used to define the specific functions of Arabidopsis phage-type RNA polymerases RpoTm, RpoTp and RpoTmp in organellar transcription. RpoTmp displayed no significant promoter specificity, whereas RpoTm and RpoTp were able to accurately initiate transcription from overlapping subsets of mitochondrial and plastidial promoters of diverse architecture. RpoTm and RpoTp thereby demonstrated an intrinsic capability to recognize promoters on supercoiled DNA templates without the aid of protein cofactors. A selective promoter recognition by the phage-type RNAPs in vitro and the inability to recognize promoters on linear templates imply that auxiliary factors are required for efficient initiation of transcription and/or DNA melting in vivo. Crosswise recognition of organellar promoters by the phage-type RNA polymerases in vitro as well as other similarities of the mitochondrial and plastidial transcription machineries such as promoter structures and the phylogenetic origin inspired in planta studies to investigate specific transcription of a mitochondrial promoter in plastids. Therefore, the expression of an nptII reporter gene under control of the mitochondrial PatpA promoter from Oenothera was analyzed in transplastomic tobacco plants. The data presented here demonstrate the faithful recognition of the mitochondrial PatpA promoter by a plastid RNA polymerase both in in vitro transcription assays and in transplastomic tobacco plants. These findings disclose further unexpected similarities of the organellar gene expression systems which deliver interesting evolutionary insights and might facilitate improved applications for chloroplast genome engineering.

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.

Licht und Pflanzenhormone sind essentiell für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen. Es ist nur wenig darüber bekannt, wie sie die Transkription organellärer Gene beeinflussen. In Arabidopsis thaliana gibt es drei kernkodierte Phagentyp-RNA-Polymerasen (RpoT), welche für die organelläre Transkription verantwortlich sind. Diese werden in die Plastiden (RpoTp), die Mitochondrien (RpoTm) oder zu beiden Organellen (RpoTmp) transportiert. Neben den beiden kernkodierten RNA-Polymerasen (NEP) existiert in den Plastiden eine plastidärkodierte RNA-Polymerase (PEP), welche zusätzliche Sigmafaktoren zur Promotererkennung benötigt. Um die Lichtabhängigkeit der Expression der RpoT Gene sowie NEP-transkribierter Chloroplastengene zu analysieren, wurde die Akkumulation von RpoT- und rpoB-Transkripten in 7-Tage alten Keimlingen unter verschiedenen Lichtbedingungen mittels quantitativer real-time PCR untersucht. Die Änderungen in der Transkriptakkumulation deuten darauf hin, dass rote, blaue und grüne Wellenlängen die Expression der drei RpoT Gene unterschiedlich stark stimulieren. Untersuchungen an verschiedenen Lichtrezeptor-Mutanten zeigten, dass die Lichtinduktion der RpoT Genexpression überaus komplex ist und ein interagierendes Netzwerk aus multiplen Rezeptoren und Transkriptionsfaktoren an der Signalweiterleitung beteiligt ist. Das Phytohormon Cytokinin wird durch Histidin Kinase Rezeptoren (AHK) detektiert. Es gibt drei unterschiedliche Rezeptoren: AHK2, AHK3 und AHK4. Diese sind Teil eines Zwei-Komponenten-Systems, welches Signale mit Hilfe einer Phosphorylierungskette überträgt. Der Einfluss von Cytokinin auf die plastidäre Transkription wurde mit Hilfe von Cytokininrezeptor-Mutanten untersucht, um die Funktion von AHK2, AHK3 und AHK4 zu analysieren. Um weitere Informationen darüber zu erhalten, wie die plastidäre Transkription durch PEP mittels Cytokinin reguliert wird, wurden die Hormoneffekte auf die plastidäre Transkription in Sigmafaktor-Mutanten untersucht. / Light and plant hormones are essential for plant growth and development. Only little information is available about how these signals influence the transcription of organellar genes. Arabidopsis thaliana possesses three nuclear-encoded phage-type RNA polymerases (RpoT) for organellar transcription. They are imported into plastids (RpoTp), mitochondria (RpoTm), or into both organelles (RpoTmp). Besides the two nuclear-encoded plastid polymerases (NEP), plastids contain an additional plastid-encoded RNA polymerase (PEP), which needs additional sigma factors for promoter recognition. Interested in the expression of RpoT genes and NEP-transcribed plastid genes in response to light we analyzed transcript levels of RpoT and rpoB genes in 7-day-old wild-type plants under different light conditions by quantitative real-time-PCR. The observed changes in transcript accumulation indicated that red, blue, and green light differentially stimulated the expression of all three RpoT genes. Further analyses using different photoreceptor mutants showed that light induction of RpoT gene expression is surprisingly complex based on a network of multiple photoreceptors an d downstream pathways. Cytokinin signals are perceived by the histidine kinase (AHK) receptor family. There exist three different membrane-bound receptors: AHK2, AHK3 and AHK4/CRE1. These receptors are part of a two-component signaling system which transfers signals via phosphorelay mechanisms. Interested in the potential role of AHK2, AHK3 and AHK4/CRE1 in the transduction of cytokinin signals into the chloroplast, we analyzed the influence of cytokinin on plastidial transcription in receptor mutants. To gain more information on how plastid transcription by PEP is regulated by cytokinin, the influence of cytokinin in sigma factor mutants was also studied.

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.