Abstract Photosystem I (PSI) of photosynthetic organisms is a multi-subunit pigment-protein complex and functions in light harvesting and photochemical charge-separation reactions, followed by reduction of NADP to NADPH required for CO 2 fixation. PSI from different photosynthetic organisms has a variety of chlorophylls (Chls), some of which are at lower-energy levels than its reaction center P700, a special pair of Chls, and are called low-energy Chls. However, the site of low-energy Chls is still under debate. Here, we solved a 2.04-Å resolution structure of a PSI trimer by cryo-electron microscopy from a primitive cyanobacterium Gloeobacter violaceus PCC 7421, which has no low-energy Chls. The structure showed absence of some subunits commonly found in other cyanobacteria, confirming the primitive nature of this cyanobacterium. Comparison with the known structures of PSI from other cyanobacteria and eukaryotic organisms reveals that one dimeric and one trimeric Chls are lacking in the Gloeobacter PSI. The dimeric and trimeric Chls are named Low1 and Low2, respectively. Low2 does not exist in some cyanobacterial and eukaryotic PSIs, whereas Low1 is absent only in Gloeobacter . Since Gloeobacter is susceptible to light, this indicates that Low1 serves as a main photoprotection site in most oxyphototrophs, whereas Low2 is involved in either energy transfer or energy quenching in some of the oxyphototrophs. Thus, these findings provide insights into not only the functional significance of low-energy Chls in PSI, but also the evolutionary changes of low-energy Chls responsible for the photoprotection machinery from photosynthetic prokaryotes to eukaryotes.

Abstract Photosystem II (PSII) plays a key role in water-splitting and oxygen evolution. X-ray crystallography has revealed its atomic structure and some intermediate structures. However, these structures are in the crystalline state, and its final state structure has not been solved because of the low efficiencies of the S-state transitions in the crystals. Here we analyzed the structure of PSII in solution at 1.95 Å resolution by single-particle cryo-electron microscopy (cryo-EM). The structure obtained is similar to the crystal structure, but a PsbY subunit was visible in the cryo-EM structure, indicating that it represents its physiological state more closely. Electron beam damage was observed at a high-dose in the regions that were easily affected by redox states, which was reduced by reducing the electron dose. This study will serve as a good indicator for determining damage-free cryo-EM structures of not only PSII but also all biological samples, especially redox-active metalloproteins.

Abstract Light-harvesting complexes (LHCs) are diversified among photosynthetic organisms, and their structural variety in photosystem I-LHC (PSI-LHCI) supercomplexes has been shown. However, structural and evolutionary correlations of red-lineage LHCs are unknown. Here we determined a 1.92-Å resolution cryo-electron microscopic structure of a PSI-LHCI supercomplex isolated from the red alga Cyanidium caldarium RK-1 (NIES-2137) which is an important taxon in the Cyanidiophyceae, and subsequently investigated these correlations through structural comparisons and phylogenetic analysis. The PSI-LHCI structure shows five LHCI subunits together with a PSI-monomer core. The five LHCIs are composed of two Lhcr1s, two Lhcr2s, and one Lhcr3. Phylogenetic analysis of LHCs bound to PSI in red-lineage algae showed clear orthology of LHCs between C. caldarium and Cyanidioschyzon merolae , whereas no orthologous relationships were found between C. caldarium Lhcr1–3 and LHCs in other red-lineage PSI-LHCI structures. These findings provide evolutionary insights into conservation and diversity of red-lineage LHCs associated with PSI.

Abstract Iron-stress-induced-A proteins (IsiAs) are expressed in cyanobacteria under iron-deficient conditions. The cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120 has four isiA genes; however, their binding property and functional roles in PSI are still missing. We analyzed a cryo-electron microscopy structure of a PSI-IsiA supercomplex isolated from Anabaena grown under an iron-deficient condition. The PSI-IsiA structure contains six IsiA subunits associated with the PsaA side of a PSI core monomer. Three of the six IsiA subunits are identified as IsiA1 and IsiA2. The PSI-IsiA structure lacks a PsaL subunit; instead, a C-terminal domain of IsiA2 is inserted at the position of PsaL, which inhibits the oligomerization of PSI, leading to the formation of a monomer. Furthermore, excitation-energy transfer from IsiAs to PSI appeared with a time constant of 55 ps. These findings provide novel insights into both the molecular assembly of the Anabaena IsiA family and the functional roles of IsiAs.