CP29, a chlorophyll a/b-xanthophyll binding protein, bridges energy transfer between the major LHCII antenna complexes and photosystem II reaction centers. It hosts one of the two identified quenching sites, making it crucial for regulated photoprotection mechanisms. Until now, the photophysics of CP29 has been studied on the purified protein in detergent solutions since spectrally overlapping signals affect in vivo measurements. However, the protein in detergent assumes non-native conformations compared to its physiological state in the thylakoid membrane. Here, we report a detailed photophysical study on CP29 inserted in discoidal lipid bilayers, known as nanodiscs, which mimic the native membrane environment. Using picosecond time-resolved fluorescence and femtosecond transient absorption (TA), we observed shortening of the Chl fluorescence lifetime with a decrease of the carotenoid triplet formation yield for CP29 in nanodiscs as compared to the protein in detergent. Global analysis of TA data suggests a 1Chl* quenching mechanism dependent on excitation energy transfer to a carotenoid dark state, likely the proposed S*, which is believed to be formed due to a carotenoid conformational change affecting the S1 state. We suggest that the accessibility of the S* state in different local environments plays a key role in determining the quenching of Chl excited states. In vivo, non-photochemical quenching is activated by de-epoxidation of violaxanthin into zeaxanthin. CP29-zeaxanthin in nanodiscs further shortens the Chl lifetime, which underlines the critical role of zeaxanthin in modulating photoprotection activity.

1.
T.
Mirkovic
,
E. E.
Ostroumov
,
J. M.
Anna
,
R.
Van Grondelle
,
Govindjee
, and
G. D.
Scholes
,
Chem. Rev.
117
,
249
(
2017
).
2.
R.
Croce
and
H.
van Amerongen
,
Nat. Chem. Biol.
10
,
492
(
2014
).
3.
R.
van Grondelle
and
V. I.
Novoderezhkin
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
8
,
793
(
2006
).
4.
V. I.
Novoderezhkin
and
R.
van Grondelle
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
12
,
7352
(
2010
).
5.
T.
Renger
,
Photosynth. Res.
102
,
471
(
2009
).
6.
G. D.
Scholes
,
G. R.
Fleming
,
A.
Olaya-Castro
, and
R.
Van Grondelle
,
Nat. Chem.
3
,
763
(
2011
).
7.
J.
Barber
and
B.
Andersson
,
Trends Biochem. Sci.
17
,
61
(
1992
).
8.
K. K.
Niyogi
,
Curr. Opin. Plant Biol.
3
,
455
(
2000
).
9.
A.
Pinnola
and
R.
Bassi
,
Biochem. Soc. Trans.
46
,
467
(
2018
).
10.
J. R.
Reimers
,
Z. L.
Cai
,
R.
Kobayashi
,
M.
Rätsep
,
A.
Freiberg
, and
E.
Krausz
,
Sci. Rep.
3
,
2761
(
2013
).
11.
Y.
Song
,
A.
Schubert
,
E.
Maret
,
R. K.
Burdick
,
B. D.
Dunietz
,
E.
Geva
, and
J. P.
Ogilvie
,
Chem. Sci.
10
,
8143
(
2019
).
12.
J. R.
Reimers
,
M.
Biczysko
,
D.
Bruce
,
D. F.
Coker
,
T. J.
Frankcombe
,
H.
Hashimoto
,
J.
Hauer
,
R.
Jankowiak
,
T.
Kramer
,
J.
Linnanto
,
F.
Mamedov
,
F.
Müh
,
M.
Rätsep
,
T.
Renger
,
S.
Styring
,
J.
Wan
,
Z.
Wang
,
Z.-Y.
Wang-Otomo
,
Y.-X.
Weng
,
C.
Yang
,
J.-P.
Zhang
,
A.
Freiberg
, and
E.
Krausz
,
Biochim. Biophys. Acta, Bioenerg.
1857
,
1627
(
2016
).
13.
C. C.
Gradinaru
,
I. H. M.
Van Stokkum
,
A. A.
Pascal
,
R.
Van Grondelle
, and
H.
Van Amerongen
,
J. Phys. Chem. B
104
,
9330
(
2000
).
14.
H. A.
Frank
,
A.
Cua
,
V.
Chynwat
,
A.
Young
,
D.
Gosztola
, and
M. R.
Wasielewski
,
Photosynth. Res.
41
,
389
(
1994
).
15.
A. V.
Ruban
,
R.
Berera
,
C.
Ilioaia
,
I. H. M.
van Stokkum
,
J. T. M.
Kennis
,
A. A.
Pascal
,
H.
van Amerongen
,
B.
Robert
,
P.
Horton
, and
R.
van Grondelle
,
Nature
450
,
575
(
2007
).
16.
T. K.
Ahn
,
T. J.
Avenson
,
M.
Ballottari
,
Y.-C.
Cheng
,
K. K.
Niyogi
,
R.
Bassi
, and
G. R.
Fleming
,
Science
320
,
794
(
2008
).
17.
M.
Son
,
A.
Pinnola
,
R.
Bassi
, and
G. S.
Schlau-Cohen
,
Chem
5
,
575
(
2019
).
18.
H.
Staleva
,
J.
Komenda
,
M. K.
Shukla
,
V.
Šlouf
,
R.
Kaňa
,
T.
Polívka
, and
R.
Sobotka
,
Nat. Chem. Biol.
11
,
287
(
2015
).
19.
P.
Skotnicová
,
H.
Staleva-Musto
,
V.
Kuznetsova
,
D.
Bína
,
M. M.
Konert
,
S.
Lu
,
T.
Polívka
, and
R.
Sobotka
,
Nat. Commun.
12
,
6890
(
2021
).
20.
H.
van Amerongen
and
R.
van Grondelle
,
J. Phys. Chem. B
105
,
604
(
2000
).
21.
S.
Bode
,
C. C.
Quentmeier
,
P.-N.
Liao
,
N.
Hafi
,
T.
Barros
,
L.
Wilk
,
F.
Bittner
, and
P. J.
Walla
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
106
,
12311
(
2009
).
22.
C.-P.
Holleboom
and
P. J.
Walla
,
Photosynth. Res.
119
,
215
(
2013
).
23.
Y.
Miloslavina
,
A.
Wehner
,
P. H.
Lambrev
,
E.
Wientjes
,
M.
Reus
,
G.
Garab
,
R.
Croce
, and
A. R.
Holzwarth
,
FEBS Lett.
582
,
3625
(
2008
).
24.
M. G.
Müller
,
P.
Lambrev
,
M.
Reus
,
E.
Wientjes
,
R.
Croce
, and
A. R.
Holzwarth
,
ChemPhysChem
11
,
1289
(
2010
).
25.
M.
Wahadoszamen
,
R.
Berera
,
A. M.
Ara
,
E.
Romero
, and
R.
van Grondelle
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
14
,
759
(
2011
).
26.
J.
Kromdijk
,
K.
Głowacka
,
L.
Leonelli
,
S. T.
Gabilly
,
M.
Iwai
,
K. K.
Niyogi
, and
S. P.
Long
,
Science
354
,
857
(
2016
).
27.
K.
Głowacka
,
J.
Kromdijk
,
K.
Kucera
,
J.
Xie
,
A. P.
Cavanagh
,
L.
Leonelli
,
A. D. B.
Leakey
,
D. R.
Ort
,
K. K.
Niyogi
, and
S. P.
Long
,
Nat. Commun.
9
,
868
(
2018
).
28.
B.
Demmig-Adams
,
G.
Garab
,
W. W.
Adams
 III
, and
Govindjee
,
Non-Photochemical Quenching and Energy Dissipation in Plants, Algae and Cyanobacteria
, 1st ed. (
Springer
,
2014
).
29.
I.
Moya
,
M.
Silvestri
,
O.
Vallon
,
A.
Gianfelice Cinque
, and
R.
Bassi
,
Biochemistry
40
,
12552
(
2001
).
30.
G.
De La Cruz Valbuena
,
F. V. A.
Camargo
,
R.
Borrego-Varillas
,
F.
Perozeni
,
C.
D’Andrea
,
M.
Ballottari
, and
G.
Cerullo
,
J. Phys. Chem. Lett.
10
,
2500
(
2019
).
31.
M.
Ballottari
,
M. J. P.
Alcocer
,
C.
D’Andrea
,
D.
Viola
,
T. K.
Ahn
,
A.
Petrozza
,
D.
Polli
,
G. R.
Fleming
,
G.
Cerullo
, and
R.
Bassi
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
111
,
E2431
(
2014
).
32.
R.
Berera
,
R.
van Grondelle
, and
J. T. M.
Kennis
,
Photosynth. Res.
101
,
105
(
2009
).
33.
V.
Mascoli
,
N.
Liguori
,
P.
Xu
,
L. M.
Roy
,
I. H. M.
van Stokkum
, and
R.
Croce
,
Chem
5
,
2900
(
2019
).
34.
P. H.
Lambrev
,
P.
Akhtar
, and
H.-S.
Tan
,
Biochim. Biophys. Acta, Bioenerg.
1861
,
148050
(
2020
).
35.
G. S.
Schlau-Cohen
,
T. R.
Calhoun
,
N. S.
Ginsberg
,
E. L.
Read
,
M.
Ballottari
,
R.
Bassi
,
R.
Van Grondelle
, and
G. R.
Fleming
,
J. Phys. Chem. B
113
,
15352
(
2009
).
36.
M.
Maiuri
,
J.
Réhault
,
A.-M.
Carey
,
K.
Hacking
,
M.
Garavelli
,
L.
Lüer
,
D.
Polli
,
R. J.
Cogdell
, and
G.
Cerullo
,
J. Chem. Phys.
142
,
212433
(
2015
).
37.
S.
Park
,
C. J.
Steen
,
D.
Lyska
,
A. L.
Fischer
,
B.
Endelman
,
M.
Iwai
,
K. K.
Niyogi
, and
G. R.
Fleming
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
116
,
3385
(
2019
).
38.
M.
Son
,
A.
Pinnola
,
S. C.
Gordon
,
R.
Bassi
, and
G. S.
Schlau-Cohen
,
Nat. Commun.
11
,
1295
(
2020
).
39.
M.
Son
,
R.
Moya
,
A.
Pinnola
,
R.
Bassi
, and
G. S.
Schlau-Cohen
,
J. Am. Chem. Soc.
143
,
17577
(
2021
).
40.
P.
Arnoux
,
T.
Morosinotto
,
G.
Saga
,
R.
Bassi
, and
D.
Pignol
,
Plant Cell
21
,
2036
(
2009
).
41.
M.
Fan
,
M.
Li
,
Z.
Liu
,
P.
Cao
,
X.
Pan
,
H.
Zhang
,
X.
Zhao
,
J.
Zhang
, and
W.
Chang
,
Nat. Struct. Mol. Biol.
22
(
9
),
729
(
2015
).
42.
Z.
Guardini
,
M.
Bressan
,
R.
Caferri
,
R.
Bassi
, and
L.
Dall’Osto
,
Nat. Plants
6
,
303
(
2020
).
43.
B.
Demmig-Adams
,
Biochim. Biophys. Acta, Bioenerg.
1020
,
1
(
1990
).
44.
H. Y.
Yamamoto
,
T. O. M.
Nakayama
, and
C. O.
Chichester
,
Arch. Biochem. Biophys.
97
,
168
(
1962
).
45.
A. J.
Young
and
H. A.
Frank
,
J. Photochem. Photobiol., B
36
,
3
(
1996
).
46.
C.
D’Andrea
,
D.
Pezzoli
,
C.
Malloggi
,
A.
Candeo
,
G.
Capelli
,
A.
Bassi
,
A.
Volonterio
,
P.
Taroni
, and
G.
Candiani
,
Photochem. Photobiol. Sci.
13
,
1680
(
2014
).
47.
F. V. A.
Camargo
,
F.
Perozeni
,
G. d. l. C.
Valbuena
,
L.
Zuliani
,
S.
Sardar
,
G.
Cerullo
,
C.
D’Andrea
, and
M.
Ballottari
,
J. Phys. Chem. Lett.
12
,
6895
(
2021
).
48.
E.
Elias
,
N.
Liguori
,
Y.
Saga
,
J.
Schäfers
, and
R.
Croce
,
Biomacromolecules
22
,
3313
(
2021
).
49.
J. J.
Snellenburg
,
S.
Laptenok
,
R.
Seger
,
K. M.
Mullen
, and
I. H. M.
van Stokkum
,
J. Stat. Software
49
,
1
(
2012
).
50.
T.
Polívka
and
V.
Sundström
,
Chem. Rev.
104
,
2021
(
2004
).
51.
X.
Su
,
J.
Ma
,
X.
Wei
,
P.
Cao
,
D.
Zhu
,
W.
Chang
,
Z.
Liu
,
X.
Zhang
, and
M.
Li
,
Science
357
,
815
(
2017
).
52.
F.
Passarini
,
E.
Wientjes
,
H.
van Amerongen
, and
R.
Croce
,
Biochim. Biophys. Acta, Bioenerg.
1797
,
501
(
2010
).
53.
B.
van Oort
,
L. M.
Roy
,
P.
Xu
,
Y.
Lu
,
D.
Karcher
,
R.
Bock
, and
R.
Croce
,
J. Phys. Chem. Lett.
9
,
346
(
2018
).
54.
T.
Polívka
and
H. A.
Frank
,
Acc. Chem. Res.
43
,
1125
(
2010
).
55.
M.
Mozzo
,
L.
Dall'Osto
,
R.
Hienerwadel
,
R.
Bassi
, and
R.
Croce
,
J. Biol. Chem.
283
,
6184
(
2008
).
56.
L.
Cupellini
,
S.
Jurinovich
,
I. G.
Prandi
,
S.
Caprasecca
, and
B.
Mennucci
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
18
,
11288
(
2016
).
57.
S.
Park
,
A. L.
Fischer
,
C. J.
Steen
,
M.
Iwai
,
J. M.
Morris
,
P. J.
Walla
,
K. K.
Niyogi
, and
G. R.
Fleming
,
J. Am. Chem. Soc.
140
,
11965
(
2018
).
58.
C. C.
Gradinaru
,
A. A.
Pascal
,
F.
van Mourik
,
B.
Robert
,
P.
Horton
,
R.
van Grondelle
, and
H.
van Amerongen
,
Biochemistry
37
,
1143
(
1998
).
59.
J. M.
Salverda
,
M.
Vengris
,
B. P.
Krueger
,
G. D.
Scholes
,
A. R.
Czarnoleski
,
V.
Novoderezhkin
,
H.
van Amerongen
, and
R.
van Grondelle
,
Biophys. J.
84
,
450
(
2003
).
60.
N. S.
Ginsberg
,
J. A.
Davis
,
M.
Ballottari
,
Y.-C.
Cheng
,
R.
Bassi
, and
G. R.
Fleming
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
108
,
3848
(
2011
).
61.
R.
Bassi
,
R.
Croce
,
D.
Cugini
, and
D.
Sandonà
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
96
,
10056
(
1999
).
62.
D.
Gosztola
,
H.
Yamada
, and
M. R.
Wasielewski
,
J. Am. Chem. Soc.
117
,
2041
(
1995
).
63.
J. L.
Herek
,
M.
Wendling
,
Z.
He
,
T.
Polívka
,
G.
Garcia-Asua
,
R. J.
Cogdell
,
C. N.
Hunter
,
R.
Van Grondelle
,
V.
Sundström
, and
T.
Pullerits
,
J. Phys. Chem. B
108
,
10398
(
2004
).
64.
H.
Cong
,
D. M.
Niedzwiedzki
,
G. N.
Gibson
, and
H. A.
Frank
,
J. Phys. Chem. B
112
,
3558
(
2008
).
65.
D.
Niedzwiedzki
,
J. F.
Koscielecki
,
H.
Cong
,
J. O.
Sullivan
,
G. N.
Gibson
,
R. R.
Birge
, and
H. A.
Frank
,
J. Phys. Chem. B
111
,
5984
(
2007
).
66.
D. S.
Larsen
,
E.
Papagiannakis
,
I. H. M.
Van Stokkum
,
M.
Vengris
,
J. T. M.
Kennis
, and
R.
Van Grondelle
,
Chem. Phys. Lett.
381
,
733
(
2003
).
67.
D. M.
Niedzwiedzki
,
J. O.
Sullivan
,
T.
Polívka
,
A.
Robert
,
R.
Birge
, and
A. F.
Harry
,
J. Phys. Chem. B
110
,
22872
(
2006
).
68.
E.
Papagiannakis
,
J. T. M.
Kennis
,
I. H. M.
van Stokkum
,
R. J.
Cogdell
, and
R.
van Grondelle
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
99
,
6017
(
2002
).
69.
E.
Papagiannakis
,
S. K.
Das
,
A.
Gall
,
I. H. M.
van Stokkum
,
B.
Robert
,
R.
van Grondelle
,
H. A.
Frank
, and
J. T. M.
Kennis
,
J. Phys. Chem. B
107
,
5642
(
2003
).
70.
F.
Saccon
,
M.
Durchan
,
D.
Bína
,
C. D. P.
Duffy
,
A. V.
Ruban
, and
T.
Polívka
,
iScience
23
,
101430
(
2020
).
71.
N.
Liguori
,
P.
Xu
,
I. H. M.
Van Stokkum
,
B.
Van Oort
,
Y.
Lu
,
D.
Karcher
,
R.
Bock
, and
R.
Croce
,
Nat. Commun.
8
,
1994
(
2017
).
72.
P. O.
Andersson
and
T.
Gillbro
,
J. Chem. Phys.
103
,
2509
(
1995
).
73.
C. C.
Gradinaru
,
J. T. M.
Kennis
,
E.
Papagiannakis
,
I. H. M.
Van Stokkum
,
R. J.
Cogdell
,
G. R.
Fleming
,
R. A.
Niederman
, and
R.
Van Grondelle
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
98
,
2364
(
2001
).
74.
V.
Balevičius
,
T.
Wei
,
D.
Di Tommaso
,
D.
Abramavicius
,
J.
Hauer
,
T.
Polívka
, and
C. D. P.
Duffy
,
Chem. Sci.
10
,
4792
(
2019
).
75.
R.
Bassi
and
L.
Dall'Osto
,
Annu. Rev. Plant Biol.
72
,
47
(
2021
).
76.
L.
Dall’Osto
,
S.
Caffarri
, and
R.
Bassi
,
Plant Cell
17
,
1217
(
2005
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.