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.

Thiol-dependent redox regulations of enzyme activities play a central role in regulating photosynthesis. Beside the regulation of metabolic pathways, alternative electron transport has been shown to be subjected to thiol-dependent regulation. We investigated the regulation of O2 reduction at photosystem I. The level of O2 reduction in leaves and isolated thylakoid membranes depends on the photoperiod in which plants are grown. We used a set of Arabidopsis mutant plants affected in the stromal, membrane and lumenal thiol network to study the redox protein partners involved in regulating O2 reduction. Light-dependent O2 reduction was determined in leaves and in thylakoids of plants grown in short day and long day conditions using a spin-trapping EPR assay. In wild type samples from short day, ROS generation was twice the amount of that in samples from long day, while this difference was abolished in several redoxin mutants. An in vitro reconstitution assays showed that thioredoxin m, NADPH-dependent reductase C (NTRC) and NADPH are required for high O2 reduction levels in long day thylakoids. Using isolated photosystem I, we also show that reduction of a PSI protein is responsible for the increase in O2 reduction. Furthermore, differences in the membrane localization of thioredoxins m and 2-Cys peroxiredoxin were demonstrated between thylakoids of short day and long day plants. Finally, we propose a model of redox regulation of O2 reduction according to the reduction power of the stroma and the capabilities of the different thiol-containing proteins to form a network of redox interactions.

Mitochondrial retrograde signals control expression of nuclear mitochondrial dysfunction stimulon (MDS) genes. Although MDS gene products mostly affect mitochondrial functions, they also influence production of reactive oxygen species (ROS) and redox status of chloroplasts. To study this inter-organellar interaction, we analysed the response of the Arabidopsis MDS-overexpressor mutant rcd1 to methyl viologen (MV), which catalyses electron transfer from Photosystem I (PSI) to molecular oxygen, generating ROS in Mehler reaction. The response of plants to MV was investigated by imaging chlorophyll fluorescence in aerobic and hypoxic environments, and by membrane inlet mass spectrometry. Hypoxic treatment abolished the effect of MV on photosynthetic electron transfer in rcd1, but not in wild type. A similar reaction to hypoxia was observed in other MDS-activating lines and treatments. This suggests that MDS gene products contribute to oxygen depletion at the PSI electron-acceptor side. In unstressed growth conditions this MDS-related effect is likely masked by endogenous oxygen evolution and gas exchange with the atmosphere. In rcd1, altered Mehler reaction coincided with more reduced state of the chloroplast NADPH-thioredoxin oxidoreductase C (NTRC) and its targets, suggesting that NTRC performs feedback control of photosynthesis. This regulation may represent a novel mechanism whereby mitochondrial retrograde signalling affects chloroplast functions.

Linear electron transport in the thylakoid membrane drives both photosynthetic NADPH and ATP production, while cyclic electron flow (CEF) around photosystem I only promotes the translocation of protons from stroma to thylakoid lumen. The chloroplast NADH-dehydrogenase-like complex (NDH) participates in one CEF route transferring electrons from ferredoxin back to the plastoquinone pool with concomitant proton pumping to the lumen. CEF has been proposed to balance the ratio of ATP/NADPH production and to control the redox poise particularly in fluctuating light conditions, but the mechanisms regulating the NDH complex remain unknown. We have investigated potential regulation of the CEF pathways by the chloroplast NADPH-thioredoxin reductase (NTRC) in vivo by using an Arabidopsis knockout line of NTRC as well as lines overexpressing NTRC. Here we present biochemical and biophysical evidence showing that NTRC activates the NDH-dependent CEF and regulates the generation of proton motive force, thylakoid conductivity to protons and redox balance between the thylakoid electron transfer chain and the stroma during changes in light conditions. Further, protein-protein interaction assays suggest a putative thioredoxin-target site in close proximity to the ferredoxin binding domain of NDH, thus providing a plausible mechanism for regulation of the NDH ferredoxin:plastoquinone oxidoreductase activity by NTRC.

Abstract Thiol-dependent redox regulation of enzyme activities plays a central role in regulating photosynthesis. Beside the regulation of metabolic pathways, alternative electron transport is subjected to thiol-dependent regulation. We investigated the regulation of O2 reduction at photosystem I. The level of O2 reduction in leaves and isolated thylakoid membranes depends on the photoperiod in which plants are grown. We used a set of Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) mutant plants affected in the stromal, membrane and lumenal thiol network to study the redox protein partners involved in regulating O2 reduction. Light-dependent O2 reduction was determined in leaves and in thylakoids of plants grown in short day and long day conditions using a spin-trapping electron paramagnetic resonance (EPR) assay. In wild type samples from short day conditions, reactive oxygen species (ROS) generation was double that of samples from long day conditions, while this difference was abolished in several redoxin mutants. An in vitro reconstitution assay showed that thioredoxin m, NADPH-dependent reductase C and NADPH are required for high O2 reduction levels in thylakoids from plants grown in long day conditions. Using isolated photosystem I, we also showed that reduction of a photosystem I protein is responsible for the increase in O2 reduction. Furthermore, differences in the membrane localization of m-type thioredoxins and 2-Cys peroxiredoxin were detected between thylakoids of short day and long day plants. Overall, we propose a model of redox regulation of O2 reduction according to the reduction power of the stroma and the ability of different thiol-containing proteins to form a network of redox interactions.