Abstract The thylakoid protein Proton Gradient Regulation5 (PGR5) is thought to be a key component of cyclic electron flux around photosystem I. The pgr5 mutant is characterized by impaired proton motive force (pmf) formation across the thylakoid membrane, decreased photoprotective non-photochemical quenching (NPQ), and an over-reduction of the PSI acceptor side. This over-reduction has been attributed to impaired photosynthetic control, which down-regulates plastoquinol re-oxidation at the cytochrome b 6 f complex when the lumen is strongly acidified. Here, using the cgl160 ATP synthase assembly mutant, we show that in cgl160 pgr5 double mutants, both the pmf across the thylakoid membrane and NPQ are fully restored to wild-type levels. However, the acceptor-side limitation of PSI in the double mutants stays comparable to the single pgr5 mutant. This demonstrates that impaired photosynthetic control is not causal for the over-reduction of the PSI acceptor side in pgr5 . Instead, we show that both in pgr5 and the clg160 pgr5 mutants, the entire high-potential chain from cytochrome f to PSI remains strongly reduced in high light. This leads to insufficient oxidizing power for plastoquinol re-oxidation by the cytochrome b 6 f complex, thus impairing pmf formation. We conclude that PGR5 plays a critical role in electron partitioning downstream of PSI.

ABSTRACT The initial step of oxygenic photosynthesis is the thermodynamically challenging extraction of electrons from water and the release of molecular oxygen. This light-driven process, which is the basis of life on Earth, is catalyzed by the photosystem II (PSII) within the thylakoid membrane of photosynthetic organisms. The biogenesis of PSII requires a controlled step-wise assembly process of which the early steps are considered to be highly conserved between plants and their cyanobacterial progenitors. This assembly process involves auxiliary proteins, which are likewise conserved. In the present work, we show that in plants, the early assembly step, in which the PSII reaction center (RC) is associated with the intrinsic antenna protein CP47 to form the RC47 intermediate, is facilitated by a novel eukaryote-exclusive assembly factor. This factor, we named DEAP2 for DECREASED ELECTRON TRANSPORT AT PSII, works in concert with the conserved PAM68 assembly factor. The deap2 and pam68 mutants showed similar defects in PSII accumulation and assembly of the RC47 intermediate. The combined lack of both proteins results in a loss of functional PSII and the inability of plants to grow photoautotrophically on soil. While overexpression of DEAP2 partially rescued the pam68 PSII accumulation phenotype, this effect was not reciprocal. DEAP2 accumulates at 20-fold higher levels than PAM68, together suggesting that both proteins have distinct functions. In summary, our results uncover eukaryotic adjustments to the PSII assembly process, which involve the addition of DEAP2 for the rapid progression from RC to RC47.

Abstract The cytochrome b559 heterodimer is a conserved component of photosystem II whose physiological role in photosynthetic electron transfer is enigmatic. A particularly puzzling aspect of cytochrome b559 has been its presence in etiolated seedlings, where photosystem II is absent. Whether or not the cytochrome has a specific function in etioplasts is unknown. Here, we have attempted to address the function of cytochrome b559 by generating transplastomic tobacco (Nicotiana tabacum) plants that overexpress psbE and psbF, the plastid genes encoding the two cytochrome b559 apoproteins. We show that strong overaccumulation of the PsbE apoprotein can be achieved in etioplasts by suitable manipulations of the promoter and the translation signals, while the cytochrome b559 level is only moderately elevated. The surplus PsbE protein causes striking ultrastructural alterations in etioplasts; most notably, it causes a condensed prolamellar body and a massive proliferation of prothylakoids, with multiple membrane layers coiled into spiral-like structures. Analysis of plastid lipids revealed that increased PsbE biosynthesis strongly stimulated plastid lipid biosynthesis, suggesting that membrane protein abundance controls prothylakoid membrane biogenesis. Our data provide evidence for a structural role of PsbE in prolamellar body formation and prothylakoid biogenesis, and indicate that thylakoid membrane protein abundance regulates lipid biosynthesis in etioplasts.