刘应亮教授团队在碳点调控植物光合作用等方面取得系列进展

审核发布:宣传部 蒙丽 来源单位及审核人:材料与能源学院 陈建 发布时间:2020-11-26浏览次数:202

近日,我校材料与能源学院、广东省光学农业工程技术研究中心、生物基材料与能源教育部重点实验室刘应亮教授团队在国际著名学术期刊Journal of Hazardous Materials(环境科学与生态学一区TOP期刊,IF=9.038,DOI:10.1016/j.jhazmat.2020.124534)在线发表题为“Carbon Dots as Light Converter for Plant Photosynthesis: Augmenting Light Coverage and Quantum Yield Effect”的研究论文。(2018级博士研究生李亚东为论文第一作者,雷炳富教授、胡超凡副教授和刘应亮教授为共同通讯作者。(论文在线网址:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389420325243)。

  作者通过改变反应物(柠檬酸和乙醇胺)不同的比例制备了量子效率梯度变化的蓝色荧光碳点。研究发现,低量子效率(15.13%)和高量子效率(90.59%)的碳点均不利于叶绿体的光合活性,只有量子效率适中(46.42%)的碳点才可显著提高叶绿体的光合活性。经分析,低量子效率的碳点会与叶绿体竞争光能,高量子效率的碳点会达到甚至超过叶绿体的光饱和点。经水稻植株水平的研究发现,量子效率适中(46.42%)的碳点不仅加快水稻叶片的光合电子传递速率,还可提高CO2固定关键酶RuBisCO酶活性,最终提高水稻植株的生物量。研究还发现该碳点不同于前人的报道,在离体叶绿体中并不能向后者传递能量,只是发挥光转换的作用。本研究为碳点提高植物利用太阳能和农业生产提供了参考。

  作者进一步利用含丰富羧基和羟基碳点的优良水溶性,处理离体的水稻悬浮细胞,发现碳点处理可以显著提高细胞对除草剂2,4-D、2,4-D-Na、盐胁迫和光胁迫的耐受性。通过进一步研究发现该碳点本身具有清除自由基的活性,并且其处理后的水稻细胞的抗氧化防御系统和营养同化能力被显著增强,进而增强其对非生物胁迫的耐受性。随后,将碳点用于水稻种子的发芽,发现经碳点催芽的水稻幼苗同样对2,4-D、2,4-D-Na和盐胁迫表现出优异的抗逆性。本研究首次证明了碳点在调控植物对不同非生物胁迫的抗逆性方面的普适性,以题为Carbon Dots as a Protective Agent Alleviating Abiotic Stress on Rice (Oryza sativa L.) through Promoting Nutrition Assimilation and the Defense System发表于ACS Applied Materials & Interfaces(工程技术一区TOP期刊,IF:8.758,DOI: 10.1021/acsami.0c11724) (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c 11724)。2018级博士研究生李亚东为论文第一作者,郑明涛副教授、刘应亮教授和胡超凡副教授为共同通讯作者。

  近年来,碳点作为一种新兴的零维碳基纳米荧光材料备受关注,因其制备简便、低毒性、生物相容性、易于功能化、抗光漂白性以及荧光可调性,碳点在生物领域表现出巨大的应用潜力。刘应亮教授团队结合华南农业大学农业学科的特色和优势,从宏观和微观不同层次开展材料与农业交叉融合的研究,大力发展光学农业、纳米农业和炭基农业技术,创新性地开拓了碳点用于植物生长发育和光合作用的调控,已取得系列进展。

  前期,刘应亮教授团队已在碳点调控植物生长发育和光合作用等方面开展了系列工作,包括红色荧光碳点对绿豆芽的生物毒性及其在豆芽体内吸收转运过程(ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 19939-19945);红蓝双发射碳点提高植物光合作用(Adv. Funct. Mater. 2018, 1804004);提出了一种仿生合成策略应用微藻制备了红色荧光硅量子点(SiQDs),并用于黄瓜幼苗的培养(J. Mater. Chem. B, 2019, 7(7), 1107-1115);PVA包覆的荧光碳点胶囊在植物叶片表面转光提高光合作用(ACS Sustainable Chem. Eng. 2020, 8, 3938-3949);远红外荧光碳点作为高效的光捕获剂提高植物光合作用(ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 18, 21009-21019),等。本次两项研究成果是继前期系列研究的后续延伸,为碳点在农业领域的应用进一步奠定了基础,相信在可预见的未来碳点将在农业领域发“光”发“热”。(文/图 材料与能源学院 李亚东)




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