Photosystem II (PSII) is the pigment–protein complex driving the photoinduced oxidation of water and reduction of plastoquinone in all oxygenic photosynthetic organisms. Excitations in the antenna chlorophylls are photochemically trapped in the reaction center (RC) producing the chlorophyll–pheophytin radical ion pair P+ Pheo. When electron donation from water is inhibited, the oxidized RC chlorophyll P+ acts as an excitation quencher, but knowledge on the kinetics of quenching is limited. Here, we used femtosecond transient absorption spectroscopy to compare the excitation dynamics of PSII with neutral and oxidized RC (P+). We find that equilibration in the core antenna has a major lifetime of about 300 fs, irrespective of the RC redox state. Two-dimensional electronic spectroscopy revealed additional slower energy equilibration occurring on timescales of 3–5 ps, concurrent with excitation trapping. The kinetics of PSII with open RC can be described well with previously proposed models according to which the radical pair P+ Pheo is populated with a main lifetime of about 40 ps, which is primarily determined by energy transfer between the core antenna and the RC chlorophylls. Yet, in PSII with oxidized RC (P+), fast excitation quenching was observed with decay lifetimes as short as 3 ps and an average decay lifetime of about 90 ps, which is shorter than the excited-state lifetime of PSII with open RC. The underlying mechanism of this extremely fast quenching prompts further investigation.

2.
P.
Cao
,
X.
Pan
,
X.
Su
,
Z.
Liu
, and
M.
Li
,
Curr. Opin. Struct. Biol.
63
,
49
(
2020
).
3.
R.
Croce
and
H.
van Amerongen
,
Science
369
,
eaay2058
(
2020
).
4.
L.
Bar-Eyal
,
A.
Shperberg-Avni
,
Y.
Paltiel
,
N.
Keren
, and
N.
Adir
, in
Light Harvesting in Photosynthesis
, edited by
R.
Croce
, et al
(
CRC Press
,
2018
), p.
77
.
5.
H.
Tamura
,
K.
Saito
, and
H.
Ishikita
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
117
,
16373
(
2020
).
6.
A. M.
Nuijs
,
H. J.
van Gorkom
,
J. J.
Plijter
, and
L. N. M.
Duysens
,
Biochim. Biophys. Acta
848
,
167
(
1986
).
7.
G. H.
Schatz
,
H.
Brock
, and
A. R.
Holzwarth
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
84
,
8414
(
1987
).
8.
K.
Brettel
,
E.
Schlodder
, and
H. T.
Witt
,
Biochim. Biophys. Acta
766
,
403
(
1984
).
9.
H.-J.
Eckert
and
G.
Renger
,
FEBS Lett.
236
,
425
(
1988
).
10.
Y.
Umena
,
K.
Kawakami
,
J.-R.
Shen
, and
N.
Kamiya
,
Nature
473
,
55
(
2011
).
11.
F.
Müh
and
A.
Zouni
,
Front. Biosci.-Landmark
16
,
3072
(
2011
).
12.
G. H.
Schatz
,
H.
Brock
, and
A. R.
Holzwarth
,
Biophys. J.
54
,
397
(
1988
).
13.
Y.
Miloslavina
,
M.
Szczepaniak
,
M. G.
Müller
,
J.
Sander
,
M.
Nowaczyk
,
M.
Rögner
, and
A. R.
Holzwarth
,
Biochemistry
45
,
2436
(
2006
).
14.
G.
Tumino
,
A. P.
Casazza
,
E.
Engelmann
,
F. M.
Garlaschi
,
G.
Zucchelli
, and
R. C.
Jennings
,
Biochemistry
47
,
10449
(
2008
).
15.
C.
van der Weij-de Wit
,
J.
Dekker
,
R.
van Grondelle
, and
I.
van Stokkum
,
J. Phys. Chem. A
115
,
3947
(
2011
).
16.
A. R.
Holzwarth
,
M. G.
Müller
,
M.
Reus
,
M.
Nowaczyk
,
J.
Sander
, and
M.
Rögner
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
103
,
6895
(
2006
).
17.
N. P.
Pawlowicz
,
M.-L.
Groot
,
I. H. M.
Van Stokkum
,
J.
Breton
, and
R.
van Grondelle
,
Biophys. J.
93
,
2732
(
2007
).
18.
G.
Raszewski
and
T.
Renger
,
J. Am. Chem. Soc.
130
,
4431
(
2008
).
19.
A. P.
Casazza
,
M.
Szczepaniak
,
M. G.
Müller
,
G.
Zucchelli
, and
A. R.
Holzwarth
,
Biochim. Biophys. Acta
1797
,
1606
(
2010
).
20.
M.
Di Donato
,
R.
van Grondelle
,
I. H. M.
van Stokkum
, and
M. L.
Groot
,
J. Phys. Chem. B
111
,
7345
(
2007
).
21.
E. G.
Andrizhiyevskaya
,
D.
Frolov
,
R.
van Grondelle
, and
J. P.
Dekker
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
6
,
4810
(
2004
).
22.
Y.
Yoneda
,
Y.
Nagasawa
,
Y.
Umena
, and
H.
Miyasaka
,
J. Phys. Chem. Lett.
10
,
3710
(
2019
).
23.
S.
Vasil’ev
,
P.
Orth
,
A.
Zouni
,
T. G.
Owens
, and
D.
Bruce
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
98
,
8602
(
2001
).
24.
Y.
Shibata
,
S.
Nishi
,
K.
Kawakami
,
J.-R.
Shen
, and
T.
Renger
,
J. Am. Chem. Soc.
135
,
6903
(
2013
).
25.
S.-T.
Hsieh
,
L.
Zhang
,
D.-W.
Ye
,
X.
Huang
, and
Y.-C.
Cheng
,
Faraday Discuss.
216
,
94
(
2019
).
26.
M.
Kaucikas
,
K.
Maghlaoui
,
J.
Barber
,
T.
Renger
, and
J. J.
van Thor
,
Nat. Commun.
7
,
13977
(
2016
).
27.
K. K.
Niyogi
,
Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol.
50
,
333
(
1999
).
28.
P.
Muller
,
X.-P.
Li
, and
K. K.
Niyogi
,
Plant Physiol.
125
,
1558
(
2001
).
29.
P.
Horton
,
A. V.
Ruban
, and
R. G.
Walters
,
Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol.
47
,
655
(
1996
).
30.
A. V.
Ruban
,
Plant Physiol.
170
,
1903
(
2016
).
32.
I.
Vass
and
K.
Cser
,
Trends Plant Sci.
14
,
200
(
2009
).
33.
L.
Dall’Osto
,
S.
Cazzaniga
,
M.
Bressan
,
D.
Paleček
,
K.
Židek
,
K. K.
Niyogi
,
G. R.
Fleming
,
D.
Zigmantas
, and
R.
Bassi
,
Nat. Plants
3
,
17033
(
2017
).
34.
L.
Nicol
,
W. J.
Nawrocki
, and
R.
Croce
,
Nat. Plants
5
,
1177
(
2019
).
35.
A. V.
Ruban
,
Plant Physiol.
181
,
383
(
2019
).
36.
G.
Finazzi
,
G. N.
Johnson
,
L.
Dallosto
,
P.
Joliot
,
F.-A.
Wollman
, and
R.
Bassi
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
101
,
12375
(
2004
).
37.
A. G.
Ivanov
,
P. V.
Sane
,
V.
Hurry
,
G.
Öquist
, and
N. P. A.
Huner
,
Photosynth. Res.
98
,
565
(
2008
).
38.
G. N.
Johnson
,
A. W.
Rutherford
, and
A.
Krieger
,
Biochim. Biophys. Acta
1229
,
202
(
1995
).
39.
A.
Krieger
,
I.
Moya
, and
E.
Weis
,
Biochim. Biophys. Acta
1102
,
167
(
1992
).
40.
W. L.
Butler
,
Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol.
29
,
345
(
1978
).
41.
X. J.
Jordanides
,
G. D.
Scholes
,
W. A.
Shapley
,
J. R.
Reimers
, and
G. R.
Fleming
,
J. Phys. Chem. B
108
,
1753
(
2004
).
42.
T. G.
Owens
,
S. P.
Webb
,
R. S.
Alberte
,
L.
Mets
, and
G. R.
Fleming
,
Biophys. J.
53
,
733
(
1988
).
43.
W.
Giera
,
V. M.
Ramesh
,
A. N.
Webber
,
I.
van Stokkum
,
R.
van Grondelle
, and
K.
Gibasiewicz
,
Biochim. Biophys. Acta
1797
,
106
(
2010
).
44.
D.
Bruce
,
G.
Samson
, and
C.
Carpenter
,
Biochemistry
36
,
749
(
1997
).
45.
R. H.
Schweitzer
and
G. W.
Brudvig
,
Biochemistry
36
,
11351
(
1997
).
46.
N. G.
Bukhov
and
P.
Mohanty
, in
Concepts in Photobiology
, edited by
G. S.
Singhal
, et al
(
Springer
,
1999
), p.
617
.
47.
E.
Tyystjärvi
,
Coord. Chem. Rev.
252
,
361
(
2008
).
48.
R.
Gupta
,
Plant Signaling Behav.
15
,
1824721
(
2020
).
49.
V. P.
Shinkarev
and
Govindjee
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
90
,
7466
(
1993
).
50.
R.
Steffen
,
H.-J.
Eckert
,
A. A.
Kelly
,
P.
Dörmann
, and
G.
Renger
,
Biochemistry
44
,
3123
(
2005
).
51.
V. Z.
Paschenko
,
A. A.
Churin
,
V. V.
Gorokhov
,
N. P.
Grishanova
,
B. N.
Korvatovskii
,
E. G.
Maksimov
, and
M. D.
Mamedov
,
Photosynth. Res.
130
,
325
(
2016
).
52.
J.-R.
Shen
,
K.
Kawakami
, and
H.
Koike
,
Methods Mol. Biol.
684
,
41
(
2011
).
53.
K.
Kawakami
and
J.-R.
Shen
,
Methods Enzymol.
613
,
1
(
2018
).
54.
J.-R.
Shen
and
N.
Kamiya
,
Biochemistry
39
,
14739
(
2000
).
55.
P. J.
Nowakowski
,
M. F.
Khyasudeen
, and
H.-S.
Tan
,
Chem. Phys.
515
,
214
(
2018
).
56.
Z.
Zhang
,
K. L.
Wells
,
E. W. J.
Hyland
, and
H.-S.
Tan
,
Chem. Phys. Lett.
550
,
156
(
2012
).
57.
G. H.
Schatz
and
H. J.
van Gorkom
,
Biochim. Biophys. Acta
810
,
283
(
1985
).
58.
A. Y.
Mulkidjanian
,
D. A.
Cherepanov
,
M.
Haumann
, and
W.
Junge
,
Biochemistry
35
,
3093
(
1996
).
59.
N.
Cox
,
J. L.
Hughes
,
R.
Steffen
,
P. J.
Smith
,
A. W.
Rutherford
,
R. J.
Pace
, and
E.
Krausz
,
J. Phys. Chem. B
113
,
12364
(
2009
).
60.
E.
Schlodder
,
T.
Renger
,
G.
Raszewski
,
W. J.
Coleman
,
P. J.
Nixon
,
R. O.
Cohen
, and
B. A.
Diner
,
Biochemistry
47
,
3143
(
2008
).
61.
M.
Szczepaniak
,
J.
Sander
,
M.
Nowaczyk
,
M. G.
Müller
,
M.
Rögner
, and
A. R.
Holzwarth
,
Biophys. J.
96
,
621
(
2009
).
62.
G.
Sipka
,
M.
Magyar
,
A.
Mezzetti
,
P.
Akhtar
,
Q.
Zhu
,
Y.
Xiao
,
G.
Han
,
S.
Santabarbara
,
J.-R.
Shen
,
P. H.
Lambrev
, and
G.
Garab
,
Plant Cell
33
,
1286
(
2021
).
63.
P.
Akhtar
,
C.
Zhang
,
T. N.
Do
,
G.
Garab
,
P. H.
Lambrev
, and
H.-S.
Tan
,
J. Phys. Chem. Lett.
8
,
257
(
2017
).
64.
J.
Pan
,
A.
Gelzinis
,
V.
Chorošajev
,
M.
Vengris
,
S. S.
Senlik
,
J.-R.
Shen
,
L.
Valkunas
,
D.
Abramavicius
, and
J. P.
Ogilvie
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
19
,
15356
(
2017
).
65.
Y.
Yoneda
,
T.
Katayama
,
Y.
Nagasawa
,
H.
Miyasaka
, and
Y.
Umena
,
J. Am. Chem. Soc.
138
,
11599
(
2016
).
66.
K.
Broess
,
G.
Trinkunas
,
C. D.
van der Weij-de Wit
,
J. P.
Dekker
,
A.
van Hoek
, and
H.
van Amerongen
,
Biophys. J.
91
,
3776
(
2006
).
67.
K.
Broess
,
G.
Trinkunas
,
A.
van Hoek
,
R.
Croce
, and
H.
van Amerongen
,
Biochim. Biophys. Acta
1777
,
404
(
2008
).
68.
J.
Chmeliov
,
G.
Trinkunas
,
H.
van Amerongen
, and
L.
Valkunas
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
8963
(
2014
).
69.
J.
Chmeliov
,
G.
Trinkunas
,
H.
van Amerongen
, and
L.
Valkunas
,
Photosynth. Res.
127
,
49
(
2016
).
70.
V.
Goltsev
,
P.
Chernev
,
I.
Zaharieva
,
P.
Lambrev
, and
R. J.
Strasser
,
Photosynth. Res.
84
,
209
(
2005
).
71.
H.
van Amerongen
and
R.
Croce
,
Photosynth. Res.
116
,
251
(
2013
).
72.
V. I.
Novoderezhkin
,
J. P.
Dekker
, and
R.
van Grondelle
,
Biophys. J.
93
,
1293
(
2007
).
73.
L.
Valkunas
,
V.
Liuolia
, and
A.
Freiberg
,
Photosynth. Res.
27
,
83
(
1991
).
75.
S.
Santabarbara
,
A.
Agostini
,
A. P.
Casazza
,
G.
Zucchelli
, and
D.
Carbonera
,
Biochim. Biophys. Acta
1847
,
262
(
2015
).
76.
J. R.
Durrant
,
L. B.
Giorgi
,
J.
Barber
,
D. R.
Klug
, and
G.
Porter
,
Biochim. Biophys. Acta
1017
,
167
(
1990
).
77.
H.
Kramer
and
P.
Mathis
,
Biochim. Biophys. Acta
593
,
319
(
1980
).
78.
M. L.
Groot
,
E. J.
Peterman
,
P. J.
van Kan
,
I. H.
van Stokkum
,
J. P.
Dekker
, and
R.
van Grondelle
,
Biophys. J.
67
,
318
(
1994
).
79.
P.
Bowers
and
G.
Porter
,
Proc. R. Soc. London, Ser. A
296
,
435
(
1967
).
80.
R.
Schödel
,
K.-D.
Irrgang
,
J.
Voigt
, and
G.
Renger
,
Biophys. J.
75
,
3143
(
1998
).
81.
V.
Barzda
,
M.
Vengris
,
L.
Valkunas
,
R.
van Grondelle
, and
H.
van Amerongen
,
Biochemistry
39
,
10468
(
2000
).
82.
M. L.
Groot
,
E. J.
Peterman
,
I. H.
Van Stokkum
,
J. P.
Dekker
, and
R.
van Grondelle
,
Biophys. J.
68
,
281
(
1995
).
83.
R.
Schödel
,
K.-D.
Irrgang
,
J.
Voigt
, and
G.
Renger
,
Biophys. J.
76
,
2238
(
1999
).
84.
M.
Russo
,
V.
Petropoulos
,
E.
Molotokaite
,
G.
Cerullo
,
A. P.
Casazza
,
M.
Maiuri
, and
S.
Santabarbara
,
Photosynth. Res.
144
,
221
(
2020
).
85.
V.
Martínez-Junza
,
M.
Szczepaniak
,
S. E.
Braslavsky
,
J.
Sander
,
M.
Nowaczyk
,
M.
Rögner
, and
A. R.
Holzwarth
,
Photochem. Photobiol. Sci.
7
,
1337
(
2008
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.