Life depends on the ability of photosynthetic organisms to exploit sunlight to fix carbon dioxide into biomass. Photosynthesis is modulated by pathways such as cyclic and pseudocyclic electron flow (CEF and PCEF). CEF transfers electrons from photosystem I to the plastoquinone pool according to two mechanisms, one dependent on proton gradient regulators (PGR5/PGRL1) and the other on the type I NADH dehydrogenase (NDH) complex. PCEF uses electrons from photosystem I to reduce oxygen; in several groups of photosynthetic organisms but not in angiosperms, it is sustained by flavodiiron proteins (FLVs). PGR5/PGRL1, NDH and FLVs are all active in the moss Physcomitrella patens, and mutants depleted in these proteins show phenotypes under specific light regimes. Here, we demonstrated that CEF and PCEF exhibit strong functional overlap and that when one protein component is depleted, the others can compensate for most of the missing activity. When multiple mechanisms are simultaneously inactivated, however, plants show damage to photosystem I and strong growth reduction, demonstrating that mechanisms for the modulation of photosynthetic electron transport are indispensable.

Alternative electron pathways contribute to the regulation of photosynthetic light reactions to meet metabolic demands in a dynamic environment. Understanding the molecular mechanisms of their activity is seminal to decipher their role in response to environmental cues and in plant adaptation. The chloroplast NADH dehydrogenase-like (NDH) complex mediates cyclic electron transport pathway around photosystem I (PSI) in different organisms like cyanobacteria, algae and various plant species but has a discontinuous distribution in the green lineage. In order to assess how its activity and physiological role changed during plant evolution, we isolated Physcomitrella patens lines knocked out of the gene NDHM which encodes for a subunit fundamental for the stability and activity of the whole complex. P. patens ndhm KO mosses showed high PSI acceptor side limitation upon illumination leading to PSI photoinhibition. Flavodiiron proteins (FLV) have similar and particularly important role in preventing PSI overreduction when plants are exposed to light fluctuations. The flva ndhm double KO mosses alteration in photosynthetic parameters leaded to a defect in plant growth under fluctuating light as compared to WT and single KO mutants. Results evidenced that, while FLV sustain strong electron transport after an abrupt change in light intensity, NDH contribution to electron transport is small. NDH still participate in modulating PSI activity and it is seminal to prevent PSI photoinhibition especially when FLV are inactive. In plants the functional overlap between NDH- and FLV-dependent electron transport systems sustains PSI activity and to prevent its photoinhibition.

Summary Photoautotrophs environmental responses have been extensively studied at the organism and ecosystem level. However, less is known about their photosynthesis at the single cell level. This information is needed to understand photosynthetic acclimation processes, as light changes as it penetrates cells, layers of cells or organs. Furthermore, cells within the same tissue may behave differently, being at different developmental/physiological stages. Here we describe a new approach for single-cell and subcellular photophysiology based on the customisation of confocal microscopy to assess chlorophyll fluorescence quenching by the saturation pulse method. We exploit this setup to: i. reassess the specialisation of photosynthetic activities in developing tissues of non-vascular plants; ii. identify a specific subpopulation of phytoplankton cells in marine photosymbiosis, which are consolidating metabolic connections with their animal hosts, and iii. testify to the link between light penetration and photoprotection responses inside the different tissues that constitute a plant leaf anatomy. Motivation Visualising photosynthetic responses in 3D is essential for understanding most acclimation processes, as light changes within photosynthetic tissues as it penetrates the absorbing/diffusing layers of the cells. To achieve this goal, we developed a new imaging workflow merging confocal microscopy and saturating pulse chlorophyll fluorescence detection. This method applies to samples characterised by increasing complexity and its simplicity will contribute to its widespread use in plant and microalgae photoacclimation studies.

Abstract While light is the ultimate source of energy for photosynthetic organisms, mitochondrial respiration is still fundamental for supporting metabolism demand during the night or in heterotrophic tissues. Respiration is also important for the metabolism of photosynthetically active cells, acting as a sink for excess reduced molecules and source of substrates for anabolic pathways. In this work, we isolated Physcomitrella ( Physcomitrium patens ) plants with altered respiration by inactivating Complex I of the mitochondrial electron transport chain by independent targeting of two essential subunits. Results show that the inactivation of Complex I causes a strong growth impairment even in fully autotrophic conditions in tissues where all cells are photosynthetically active. Complex I mutants show major alterations in the stoichiometry of respiratory complexes while the composition of photosynthetic apparatus was substantially unaffected. Complex I mutants showed altered photosynthesis with higher yields of both Photosystems I and II. These are the consequence of a higher chloroplast ATPase activity that also caused a smaller ΔpH formation across thylakoid membranes as well as decreased photosynthetic control on cytochrome b6f , possibly to compensate for a deficit in ATP supply relative to demand in Complex I mutants. These results demonstrate that alteration of respiratory activity directly impacts photosynthesis in P. patens and that metabolic interaction between organelles is essential in their ability to use light energy for growth.

Abstract Diatoms are amongst the most successful clades of oceanic phytoplankton, significantly contributing to photosynthesis on Earth. Their ecological success likely stems from their ability to acclimate to changing environmental conditions, including e.g. variable light intensity. Diatoms are outstanding at dissipating light energy exceeding the maximum photosynthetic electron transfer (PET) capacity of via Non Photochemical Quenching (NPQ). While the molecular effectors of this process, as well as the role of the Proton Motive Force (PMF) in its regulation are known, the putative regulators of the PET/PMF relationship in diatoms remain unidentified. Here, we demonstrate that the H + /K + antiporter KEA3 is the main regulator of the coupling between PMF and PET in the model diatom Phaeodactylum tricornutum . By controlling the PMF, it modulates NPQ responses at the onset of illumination, during transients and in steady state conditions. Under intermittent light KEA3 absence results in reduced fitness. Using a parsimonious model including only two components, KEA3 and the diadinoxanthin de-epoxidase, we can describe most of the feedback loops observed between PET and NPQ. This two-components regulatory system allows for efficient responses to fast (minutes) or slow (e.g. diel) changes in light environment, thanks to the presence of a regulatory Ca 2+ -binding domain in KEA3 that controls its activity. This circuit is likely finely tuned by the NPQ effector proteins LHCX, providing diatoms with the required flexibility to thrive in different ocean provinces. One sentence summary The author(s) responsible for distribution of materials integral to the findings presented in this article in accordance with the policy described in the Instructions for Authors ( https://academic.oup.com/plcell/pages/General-Instructions ) is Giovanni Finazzi.