Search

Das mitochondriale Genom der Pflanze weist mit einer heterogenen Population linearer, häufig auch verzweigten und zusätzlichen kleineren, zirkulären Molekülen eine komplexe Struktur auf. Um Einblicke in die mitochondrialen Genkopienzahl und deren Regulation sowohl unter normalen als auch unter Stressbedingungen zu erhalten, wurde die Kopienzahl pro Zelle vier repräsentativer Gene mittels qRT-PCR und Durchflusszytometrie ermittelt. Die Bestimmung der mitochondrialen Genkopienzahl in unterschiedlichen Spezies sowie in Organen der Modellpflanze Arabidopsis thaliana zeigte, dass die Kopienzahl mitochondrialer Gene sich nicht nur in den unterschiedlichen Spezies, sondern auch zwischen den unterschiedlichen Organen unterschied, wobei die höchsten Werte in der Wurzelspitze erreicht wurden. In Arabidopsis Keimlingen, welche zur Unterdrückung der plastidären Translation auf Spectinomycin-haltigem Medium angezogen wurden, wurde im Vergleich zu Kontrollpflanzen ein dreifacher Anstieg der Genkopienzahl festgestellt. Dieser Effekt erwies sich als spezifisch für Blatt- bzw. Kotyledonengewebe und warr unabhängig vom Licht. Mutanten mit Defekten in der Respiration zeigten ebenfalls erhöhte Genkopienzahlen, die durch Anzucht der Pflanzen auf Spectinomycin noch erhöht werden konnten. Dieses Ergebnis legt ein komplexes, regulatorisches Netzwerk nahe, in welchem sowohl Respiration als auch Photosynthese die Aufrechterhaltung einer stabilen Genkopienzahl innerhalb der Pflanzenzelle beeinflussen. Die Untersuchungen einer Spectinomycin-behandelter mt-GFP Arabidopsis Pflanzenlinie mittels CLSM zeigten einen Stillstand der Motilität der Mitochondrien in den epidermalen Zellen der weißen Kotyledonen, obwohl eine TEM Analyse eine normale, interne Morphologie ergab. Weitere Untersuchungen führten zu der Schlussfolgerung, dass es auch hier die Stärke der plastidären Beeinträchtigung, welche zu einem gelb-weißen Phänotyp führt, für den Arrest der Mobilität verantwortlich ist. The plant mitochondrial genome has a complex structure. It exists in the form of a heterogeneous population of linear, often branched molecules with smaller than genome-size circular molecules being present in low abundance. In order to study the mitochondrial genome abundance and its regulation in plants under both standard and stress conditions, we determined the gene copy number of four representative mitochondrial genes using quantitative real-time PCR and flow-cytometry. Determination of mitochondrial gene copy number in different plant species and in organs of the model plant Arabidopsis thaliana showed that the copy number of the four investigated genes varied between species and also between different organs, having the highest values in the root tips. The growth of Arabidopsis seedlings on MS medium containing spectinomycin (a plastid translation inhibitor) led to a three-fold increase in the copy number in white versus green seedlings, an effect that is leaf/cotyledon specific and light-independent. Respiration deficient mutants also showed an increase in the gene copy number, this effect being further amplified when the mutants were grown on spectinomycin. The data suggest a complex regulatory network in which both photosynthesis and respiration influence the maintenance of a stable mitochondrial gene copy number within plant cells. CLSM investigations of a spectinomycin-treated mt-GFP line showed that in epidermal cells of white cotyledons most of the mitochondria are not motile with TEM analysis presenting normal internal morphology. Further investigations led to the conclusion that the threshold level of chloroplast impairment that leads to a motility arrest is represented by the appearance of a yellow-white cotyledon phenotype. These results point to a new regulatory mechanism of mitochondrial dynamics that is directly influenced by impaired chloroplast development under standard growth conditions.

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.