Pumpkin leaves grown under high light (500-700 micromol of photons m-2.s-1) were illuminated under photon flux densities ranging from 6.5 to 1500 micromol.m-2.s-1 in the presence of lincomycin, an inhibitor of chloroplast protein synthesis. The illumination at all light intensities caused photoinhibition, measured as a decrease in the ratio of variable to maximum fluorescence. Loss of photosystem II (PSII) electron transfer activity correlated with the decrease in the fluorescence ratio. The rate constant of photoinhibition, determined from first-order fits, was directly proportional to photon flux density at all light intensities studied. The fluorescence ratio did not decrease if the leaves were illuminated in low light in the absence of lincomycin or incubated in darkness in the presence of lincomycin. The constancy of the quantum yield of photoinhibition under different photon flux densities strongly suggests that photoinhibition in vivo occurs by one dominant mechanism under all light intensities. This mechanism probably is not the acceptor side mechanism characterized in the anaerobic case in vitro. Furthermore, there was an excellent correlation between the loss of PSII activity and the loss of the D1 protein from thylakoid membranes under low light. At low light, photoinhibition occurs so slowly that inactive PSII centers with the D1 protein waiting to be degraded do not accumulate. The kinetic agreement between D1 protein degradation and the inactivation of PSII indicates that the turnover of the D1 protein depends on photoinhibition under both low and high light.

Photoinhibition of PSII occurs at the same quantum efficiency from very low to very high light, which raises a question about how important is the rate of photosynthetic electron transfer in photoinhibition. We modulated electron transfer rate and light intensity independently of each other in lincomycin-treated pea leaves and in isolated thylakoids, in order to elucidate the specific effects of light and PSII electron transport on photoinhibition. Major changes in the rate of electron transport caused only small changes in the rate of photoinhibition, suggesting the existence of a significant photoinhibitory pathway that contains an electron-transfer-independent phase. We compared the action spectrum of photoinhibition with absorption spectra of PSII components that could function as photoreceptors of the electron-transfer-independent phase of photoinhibition and found that the absorption spectra of Mn(III) and Mn(IV) compounds resemble the action spectrum of photoinhibition, showing a steep decrease from UV-C to blue light and a low visible-light tail. Our results show that the release of a Mn ion to the thylakoid lumen is the earliest detectable step of both UV- and visible-light-induced photoinhibition. After Mn release from the oxygen-evolving complex, oxidative damage to the PSII reaction center occurs because the Mn-depleted oxygen-evolving complex cannot reduce P680+ normally.

ABSTRACT Instead of red anthocyanins, birches synthesise colourless (to human eye), UV-absorbing flavonols during autumn senescence. To test if flavonols protect against insects, and if leaves with high or low amounts of flavonols differ in their photosynthetic functions, aphid-free and aphid-infested green and senescing birch leaves were collected from outdoor-grown trees and analysed. Photosynthetic parameters were greatly affected by the leaf chlorophyll content (i.e. the phase of senescence). Photochemical quenching and the amount of functional Photosystem I decreased linearly with chlorophyll content, while FV/FM (Photosystem II functionality) decreased strongly only at the end of senescence. Non-photochemical quenching of excitation energy (NPQ) increased towards the end of senescence. However, no significant differences in the total flavonol amounts, nor in individual flavonol species, were found between aphid-free and aphid-infested leaves, suggesting that flavonols play no role in defence against aphid herbivory. Interestingly, both green and senescing leaves with a high flavonol content showed low FV/FM values. High flavonol content slowed down PSII photoinhibition and improved recovery, but only in green leaves. Previously, we proposed that anthocyanins provide an additional sink for photosynthates at the nitrogen resorption phase during autumn senescence, and the present data may suggest that flavonol synthesis plays a similar role.

Abstract Signaling from chloroplasts and mitochondria, both dependent on reactive oxygen species (ROS), merge at the nuclear protein RADICAL-INDUCED CELL DEATH1 (RCD1). ROS produced in the chloroplasts affect the abundance, thiol redox state and oligomerization of RCD1. RCD1 directly interacts in vivo with ANAC013 and ANAC017 transcription factors, which are the mediators of the ROS-related mitochondrial complex III retrograde signa and suppresses activity of ANAC013 and ANAC017. Inactivation of RCD1 leads to increased expression of ANAC013 and ANAC017-regulated genes belonging to the mitochondrial dysfunction stimulon (MDS), including genes for mitochondrial alternative oxidases (AOXs). Accumulating AOXs and other MDS gene products alter electron transfer pathways in the chloroplasts, leading to diminished production of chloroplastic ROS and increased protection of photosynthetic apparatus from ROS damage. RCD1-dependent regulation affects chloroplastic and mitochondrial retrograde signaling including chloroplast signaling by 3’-phosphoadenosine 5’-phosphate (PAP). Sensitivity of RCD1 to organellar ROS provides feedback control of nuclear gene expression.

Summary One of the main unsolved questions regarding photosynthetic sea slugs is how the slug plastids handle photoinhibition of Photosystem II. Photoinhibition has not been studied in detail in these animals although resilience against photoinhibition might obviously explain the longevity of plastids inside animal cytosol. Light response and action spectrum of photoinhibition were measured from the slug Elysia timida and its prey alga Acetabularia acetabulum . Plastid packing in the slugs and algae was compared with spectroscopic and microscopic methods. The importance of plastid concentration was also estimated by measuring photoinhibition from starved slugs. Compared to A. acetabulum, E. timida is highly resistant against photoinhibition. The resilience of the slugs is even more pronounced in the UV-region, as the slug tissue screens UV radiation. The plastids in the slug tissue are tightly packed, and the outer plastids protect the inner ones from photoinhibition. The sea slug E. timida protects its plastids from photoinhibition by screening UV radiation and packing the plastids tightly in its tissues. Both mechanisms enhance the longevity of the plastids in slug cytosol and ameliorate the need for repair of photoinhibited Photosystem II.

In the light, the Mn4CaO5 complex of Photosystem II (PSII) splits water producing O2 and the triplet state of the primary donor (3P680) of PSII generates reactive singlet oxygen (1O2). We show that nascent O2 is not converted to 1O2, but originates exclusively from ambient O2, indicating that the sensitivity of PSII to oxidative damage is not a consequence of the water-splitting per se, and showing that the suggested oxygen channels function nearly perfectly, conveying nascent O2 out of the reach of 3P680. This may have been crucial during evolution of oxygenic photosynthesis, as 3P680 cannot be quenched by carotenoids that protect non-oxygenic photosystems. In addition, the data indicate that a 1O2-independent mechanism contributes to the light-induced damage of PSII.

Sacoglossan sea slugs are able to maintain functional chloroplasts inside their own cells, and mechanisms that allow preservation of the chloroplasts are unknown. We found that the slug Elysia timida inflicts changes to the photosynthetic light reactions of the chloroplasts it steals from the alga Acetabularia acetabulum . Working with a large continuous laboratory culture of both the slugs (>500 individuals) and their prey algae, we show that the plastoquinone pool of slug chloroplasts remains oxidized, which can suppress reactive oxygen species formation. Slug chloroplasts also rapidly build up a strong proton motive force upon a dark-to-light transition, which helps them to rapidly switch on photoprotective non-photochemical quenching of excitation energy. Finally, our results suggest that chloroplasts inside E. timida rely on flavodiiron proteins as electron sinks during rapid changes in light intensity. These photoprotective mechanisms are expected to contribute to the long-term functionality of the chloroplasts inside the slugs.### Competing Interest Statement

To understand the effects of low temperature and cold-acclimation on reactive oxygen species and photoinhibition of photosystem II (PSII), light-induced inactivation of PSII was measured at 22 and 4 °C from four Arabidopsis thaliana accessions (Rschew, Tenela, Columbia-0 and Coimbra) grown under optimal conditions. Photoinhibition was also measured at 4 °C from plants cold-acclimated at 4 °C for two weeks. Measurements were done in the absence and presence of lincomycin that blocks PSII repair, and PSII activity was assayed with the ratio of variable to maximum chlorophyll a fluorescence (FV/FM) and with light-saturated rate of oxygen evolution using a quinone acceptor. Of the non-acclimated accessions, Rschew was the most tolerant to photoinhibition and Coimbra the least; the rate constants of photoinhibition of the most sensitive accession were 1.3-1.9 times as high as those of the tolerant ones. The damaging reaction of photoinhibition in non-acclimated plants was slower or equal at 4 °C than at 22 °C. The rate constants of photoinhibition of cold-acclimated plants, at 4 °C, were 0.55 to 1.25 times as high as those of non-acclimated plants; the protective effect of cold-acclimation on photoinhibition was consistent in Columbia-0 and Coimbra whereas Rschew and Tenela were either slightly more tolerant or susceptible, depending on the method used to assay photoinhibition. Production of singlet oxygen, measured from thylakoid membranes isolated from non-acclimated and cold-acclimated plants, did not decrease due to cold-acclimation, nor did singlet oxygen production correlate with the rate of photoinhibition or with flavonol contents of the leaves.

Abstract Elysia chlorotica is a kleptoplastic sea slug that preys on Vaucheria litorea , stealing its plastids which then continue to photosynthesize for months inside the animal cells. We investigated the native properties of V. litorea plastids to understand how they withstand the rigors of photosynthesis in isolation. Transcription of specific genes in laboratory-isolated V. litorea plastids was monitored up to seven days. The involvement of plastid-encoded FtsH, a key plastid maintenance protease, in recovery from photoinhibition in V. litorea was estimated in cycloheximide-treated cells. In vitro comparison of V. litorea and spinach thylakoids was applied to investigate ROS formation in V. litorea . Isolating V. litorea plastids triggered upregulation of ftsH and translation elongation factor EF-Tu ( tufA ). Upregulation of FtsH was also evident in cycloheximide-treated cells during recovery from photoinhibition. Charge recombination in PSII of V. litorea was found to be fine-tuned to produce only small quantities of singlet oxygen ( 1 O 2 ). Our results support the view that the genetic characteristics of the plastids themselves are crucial in creating a photosynthetic sea slug. The plastid’s autonomous repair machinery is likely enhanced by low 1 O 2 production and by upregulation of FtsH in the plastids. Highlight Isolated Vaucheria litorea plastids exhibit upregulation of tufA and ftsH , key plastid maintenance genes, and produce only little singlet oxygen. These factors likely contribute to plastid longevity in kleptoplastic slugs.