碳（硅）量子点助力植物光合作用

原创 长光所Light中心 中国光学

撰稿 | 潘晓琴 雷炳富

编者按

近日，华南农业大学雷炳富教授课题组在《发光学报》发表了题为“”的论文。该工作通过生菜种植实验，研究了荧光硅量子点作为叶面光肥提高生菜光能利用率的机理，验证了硅量子点作为叶面光肥应用于生菜种植的可行性。

为使广大发光同仁了解该课题组近年来在这一领域开展的相关工作，课题组应编者邀请撰写了本篇报道。

01

导读

非重金属荧光量子点是一类新型的光致发光纳米材料，具有物化稳定性好、毒性低、发光量子效率高、制备工艺简单等独特的优点，近年来受到人们的广泛关注，已经在生物医学、光电器件、传感器、和光电催化等领域显示出广泛的应用前景。相比之下，在农业上的应用则较为滞后。得益于非重金属荧光量子点的光学特性，通过调控其发光特性，可以将其作为光捕获剂应用于植物光合作用上。雷炳富、刘应亮团队自2013年起尝试将不同荧光性能的碳、硅量子点作为光捕获剂，通过拓宽植物光合作用的有效吸收光谱范围，提高植物光合作用的光能利用率，至今取得一些初步结果，展现出此类荧光量子点在农业应用上的广阔前景。

02

研究进展

针对荧光量子点在植物体内转运、代谢等途径，雷炳富、刘应亮课题组使用绿豆芽作为研究对象，发现红光碳量子点可以被植物由根部吸收并通过非共质体途径转运至叶片，且绿豆芽对碳点的吸收速率大于对水分的吸收速率（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 19939. 影响因子8.758），为荧光碳、硅等量子点以水培形式促进植物生长，实现光捕获剂功能奠定基础。此外，将硅量子点加入到水培营养液中后，也能通过促进黄瓜水通道蛋白基因的表达，提高黄瓜对水分的吸收利用，从而达到促进植物的生长的目的（J. Mater. Chem. B, 2019, 7, 1107. 影响因子5.344）。

图1 红光碳点在豆芽上的转运途径

图2 红光硅量子点促进黄瓜水通道蛋白基因表达

植物光合作用的有效吸光范围位于红蓝光区，紫外区及远红外区的大量光谱难以被有效利用。因此，课题组以生物质黄柏粉为原料，一步水热合成了在水溶液中呈现稳定红蓝双发射的荧光碳点，较好匹配了叶绿体光合作用有效吸光范围，增强了叶绿体对光能的利用率（Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1804004. 影响因子16.836）。该工作通过离体杂化试验，证明了该碳点可用作光捕获剂，提高叶绿体的光合作用效率，初步讨论了荧光碳、硅量子点与植物光合作用互作的相关机理。

图3 红蓝双发射碳量子点提高光捕获能力促进叶绿体光合作用

之后，课题组又通过制备不同单色荧光量子点，以生菜作为模式植物，研究了单色荧光量子点作为光捕获剂促进植物光合作用的机理。包括PVA包裹蓝光碳点作为叶面光肥的施用策略（ACS Sustainable Chem. Eng. 2020, 8, 3938. 影响因子7.632）、红光碳点的对光合作用的双光增益效应（ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 21009. 影响因子8.758）、高亮高光稳定性蓝光硅量子点作为补光天线及其通过内滤效应提高光合电子传递速率的机理研究（Nanoscale, 2020, 12,155. 影响因子6.895；发光学报, 2020, 41, 863-872.）等。

图4 PVA包裹蓝光碳量子点提高生菜光能利用率

图5 红光碳量子点对叶绿体光合作用的光增益效应

图6 蓝光硅量子点作为补光天线，通过内滤效应促进生菜光合作用

03

展望

荧光量子点的光学特性能够提高植物光合作用对光能的利用率，达到增产增质的目的，有望应用于一些特定光照条件下的农作物种植地区。虽然荧光量子点在农业上的应用已经展现出了巨大的潜力，但仍存在一些问题亟待解决。

首先，基础理论方面，除作为光捕获剂促进植物光合作用外，不同荧光量子点对不同植物生长的其它调控作用尚不明确。结合材料的特性，包括原材料的特性及表面官能团的修饰等，碳、硅量子点在提高植物不同胁迫条件下的抗性等方面也具有很大的研究价值。同时也需要从植物生理生化角度进行更为深入的机理研究。

其次，关于碳、硅荧光量子点在农业上的应用仍存在大片空白区待开发。一是在荧光量子点在太阳光下的光捕获能力。目前大多试验都是在人工可调环境下进行的，试验光照条件为人工可调光源，能够确保荧光量子点的光捕获能力。但在太阳光照条件下开展的应用试验较少，其真正的应用价值——实现农作物的增产，还需要通过大田试验加以验证。二是农作物品种的局限性。目前我们所看到的研究大多为生菜、黄瓜和绿豆等模式植物，荧光量子点在其它高经济价值作物上的增益效应是否存在尚不明确。最后，尽管碳、硅量子点在小鼠等细胞研究上展现出低毒性，但是涉及到食品安全和人体健康，还是需要更为严谨、科学的毒性研究。

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原标题：《碳（硅）量子点助力植物光合作用》

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