李亞東，許曉凱，李 唯，胡超凡，莊健樂，張學(xué)杰，雷炳富，劉應(yīng)亮

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510642；2. 嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實驗室，廣東 廣州 510642)

1 引 言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是有人類文明出現(xiàn)以來最重要的人類活動，不僅為人類提供源源不斷的食物，同時還為許多工業(yè)生產(chǎn)提供了豐富的原材料。通過不斷的技術(shù)革新，世界糧食產(chǎn)量逐年增長，相比于20年前，世界范圍內(nèi)營養(yǎng)不良的人口數(shù)量已經(jīng)減少了一半(http://www.fao.org/faostat/zh/#data)。但是，仍然有將近10億人的溫飽問題無法解決[1]。為了提高糧食產(chǎn)量，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中會使用大量的農(nóng)藥和化肥，用于保證農(nóng)作物對營養(yǎng)的需求及抵抗有害生物的入侵和不良?xì)夂颦h(huán)境的脅迫。長期大量地使用這些化學(xué)制品，雖然為保證糧食產(chǎn)量做出了巨大的貢獻，但也增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本，犧牲了環(huán)境生態(tài)安全和耕地質(zhì)量，造成了嚴(yán)重的空氣、水和土壤污染，破壞了土壤的結(jié)構(gòu)和生物多樣性[2-4]。大量研究已經(jīng)證明，目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的影響正在逐年升高，而產(chǎn)出-投入比和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的彈性正在逐年降低[5]。為了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的綠色可持續(xù)發(fā)展，亟待解決的問題就是減少農(nóng)藥和化肥等化學(xué)制品的使用。

據(jù)報道，植物的生物量有超過90%產(chǎn)自于光合作用[6]。植物的葉片細(xì)胞中含有大量可以進行光合作用的葉綠體，葉綠體內(nèi)分布有類囊體。類囊體通常是幾十個垛疊在一起，其膜上有光合色素和電子傳遞系統(tǒng)[7]。當(dāng)植物葉片受到光照時，類囊體膜上的反應(yīng)中心色素分子受光激發(fā)而發(fā)生電荷分離，將光能轉(zhuǎn)化為電能，產(chǎn)生的高能電子推動類囊體膜上光系統(tǒng)Ⅰ和光系統(tǒng)Ⅱ的電子傳遞，造成水分子的裂解放氧和還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)的生成。同時在水裂解和電子傳遞的過程中形成了跨膜的質(zhì)子動力勢，進而推動光合磷酸化生成三磷酸腺苷(ATP)。活躍的NADPH和ATP可以為暗反應(yīng)中CO2的固定提供能量。最終，葉綠體吸收的光能通過電能的形勢轉(zhuǎn)化為活躍的化學(xué)能，用于CO2的固定，生成生物質(zhì)[7]。因此，理論上可以通過調(diào)控植物光合作用速率提高作物產(chǎn)量[6,8]。

納米材料的快速發(fā)展為許多社會問題提供了更好的解決方案，包括農(nóng)業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域[9-11]。根據(jù)光合作用的原理，利用熒光材料調(diào)節(jié)光合作用中的光捕獲、電子傳遞和能量轉(zhuǎn)化被認(rèn)為是一種理想的提高植物光合效率的方法，例如有機熒光分子[12-13]和無機金屬熒光量子點[14]等。但是有機熒光分子的熒光發(fā)射不穩(wěn)定，易猝滅[15-16]，限制了其實際應(yīng)用。相比于有機分子，無機金屬熒光量子點具有較寬的光譜范圍、高效的激發(fā)能量轉(zhuǎn)化和相對穩(wěn)定的熒光發(fā)射，但是熒光量子點中往往含有重金屬離子成分，對生物體的毒性較高[17-18]。

碳點(CDs)是一種熒光碳納米材料，粒徑<10 nm，具有優(yōu)異的光學(xué)性能、良好的水溶性、低毒性、環(huán)境友好性、生物相容性、原料來源廣、制備成本低等諸多優(yōu)點[19]。目前，眾多研究報道表明CDs在促進植物生長、提高植物抗逆性和光合作用等方面具有巨大應(yīng)用潛力(圖1)[20]。CDs優(yōu)異的光致發(fā)光特性使之既是電子供體，也是電子受體，成為一種良好的能量傳遞中間體[21]。在植物光合作用中，研究人員發(fā)現(xiàn)CDs的熒光發(fā)射光譜與葉綠體的光吸收譜重合時，CDs的激發(fā)能可以被葉綠體捕獲，進而加快類囊體膜上的光合電子傳遞速率，促進植物的光合作用和生長速率[22-24]。同時，CDs還對光合作用中葉綠素的合成和CO2的固定發(fā)揮積極的促進作用[23,25-26]。本文將從CDs的合成原料、光學(xué)性質(zhì)以及作用機理出發(fā)，系統(tǒng)地綜述CDs調(diào)控植物光合作用的研究進展，并對目前亟需解決的問題及未來的發(fā)展趨勢進行展望。

圖1 CDs在調(diào)控植物不同生理過程中的作用[20]

2 不同來源CDs對光合作用的影響

CDs的制備原料來源十分廣泛，包括生物質(zhì)和碳材料等大塊物質(zhì)的剝離(Top-down)和小分子有機試劑的聚合-碳化(Bottom-up)兩種制備路徑[19]。研究發(fā)現(xiàn)，兩種方式制備的CDs均可以對植物光合作用產(chǎn)生積極的調(diào)控作用。

Chandra等利用抗壞血酸和2,2′-(乙烯二氧)雙(乙胺)為原料，通過微波法制備了一種生物相容的胺功能化的熒光CDs，分離產(chǎn)量達到了克級。該CDs表面富含氨基(—NH2)、羥基(—OH)和部分殘留的—COO-，使其可以通過靜電作用或共價鍵結(jié)合的方式與葉綠體膜(表面呈電負(fù)性)發(fā)生強結(jié)合。該CDs的熒光發(fā)射為藍色(400～550 nm)，與葉綠體在藍光區(qū)域的光吸收譜重合。因此，葉綠體可以捕獲CDs被激發(fā)的光子，并以電子的形式傳遞到光合系統(tǒng)，進而加快光合電子傳遞速率，提高光合效率[22]。Budak等利用檸檬酸、尿素和硼酸，通過微波法制備了富含硼和氮的石墨量子點，可使光合色素在670 nm處的熒光增強20%,說明該石墨量子點可作為人工光合生物天線系統(tǒng)的重要組成部分[27]。

Li等利用電化學(xué)刻蝕法剝離石墨棒制備了一種CDs，對水稻植株進行葉面噴施后，發(fā)現(xiàn)其可以提高水稻光合作用中CO2固定所需關(guān)鍵酶1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(RuBisCO酶)的活性，加快碳水化合物的合成，最終使水稻幼苗的生物量提高了14.8%[28]。隨后該研究團隊又將該CDs加入MS培養(yǎng)基中培養(yǎng)8種雙子葉植物，結(jié)果表明其生物量均增加20%以上[26]。在本課題組的研究中，利用一種中藥材生物質(zhì)黃柏制備了一種具有紅、藍光雙熒光發(fā)射的CDs，其熒光發(fā)射光譜與植物光合作用所吸收利用的光譜相吻合。利用該CDs處理葉綠體后，其光合效率提高了2.8倍。根施處理羅馬生菜后，其葉片的光合電子速率提高了25%[23]。

兩種路徑制備的CDs均可以提高植物光合作用效率，說明CDs的制備原料和方法對其調(diào)控植物光合作用并不發(fā)揮決定作用。

3 CDs的光學(xué)性質(zhì)對光合作用的影響

隨著對CDs研究的逐步深入，其發(fā)光機理開始被人們逐漸熟知，目前主要有三種解釋：(1)共軛π-鍵的能帶躍遷。對于具有較大共軛π鍵和表面官能團較少的CDs來說，其熒光發(fā)射主要來源于其內(nèi)核的sp2結(jié)構(gòu)共軛π電子的量子限域效應(yīng)，并且CDs內(nèi)核尺寸越大，其熒光發(fā)射峰位置越紅移[29]。(2)表面缺陷態(tài)。當(dāng)CDs表面含有sp2和sp3雜化碳衍生的基團，或環(huán)氧基、羥基和羧基等含氧基團時，這些基團會引入缺陷，在帶隙中形成新的能級。這些新的能級會捕獲光生電子，進而激子在缺陷位點復(fù)合而發(fā)出熒光[30-31]。(3)熒光分子或熒光團。在利用一些小分子制備CDs時，隨著碳化溫度升高和時間延長，其表面會形成某些熒光分子或熒光團，從而使CDs發(fā)射熒光[32]。一般這種CDs的熒光量子效率(QY)較前兩種更高。

植物光合作用的最初動力來源于光照，兩個強吸收區(qū)分別為640～660 nm的紅光區(qū)和430～450 nm的藍光區(qū)。被光激發(fā)后，反應(yīng)中心色素分子發(fā)生電荷分離，將光能轉(zhuǎn)化為電能，推動類囊體膜上的光合電子傳遞，進而引起水分子的裂解產(chǎn)氧及NADPH和ATP的生成，為CO2固定提供能量。因此，相較于CDs的制備原料和方法，其光學(xué)性質(zhì)在調(diào)控植物光合作用中應(yīng)發(fā)揮更重要的作用。

3.1 CDs的發(fā)光中心

目前報道的CDs的熒光發(fā)射幾乎覆蓋了整個可見光區(qū)，并且其熒光發(fā)射具有高度可調(diào)節(jié)性。雖然對光合作用有效的可見光波長為400～700 nm，但是葉綠素對光波吸收最強的區(qū)為藍光區(qū)(430～450 nm)和紅光區(qū)(640～660 nm)。在理論上，如果CDs熒光發(fā)射光譜與植物光合作用的吸收光譜相吻合，CDs的激發(fā)能便可被葉綠體重吸收用于光合作用，從而提高光合效率。

藍色熒光發(fā)射的CDs是最常見的，在最早的研究中，Chandra等就利用藍色熒光發(fā)射的CDs研究其對植物光合作用的調(diào)控[22]。他們發(fā)現(xiàn)CDs的熒光發(fā)射光譜與光合作用吸收利用的藍光區(qū)光譜幾乎完全重合，將該CDs與離體葉綠體復(fù)合后，二者之間會發(fā)生能量共振轉(zhuǎn)移，CDs被激發(fā)的光子可以被葉綠體捕獲吸收用于光合作用，使光系統(tǒng)Ⅰ(PS-Ⅰ)和光系統(tǒng)Ⅱ(PS-Ⅱ)的光合電子傳遞速率分別提高26%和74.3%。最終增加了葉綠體的產(chǎn)氧量、NADPH(提高了191.52 mmol/mg 葉綠體)和ATP(～8.7倍)的生成。

藍光的能量較高，可將葉綠素分子激發(fā)到第二單線態(tài)，而能量較弱的紅光可將葉綠素分子激發(fā)到第一單線態(tài)。雖然處于第二單線態(tài)的葉綠素分子具有更高的能量，但是超過的部分不能被轉(zhuǎn)移到光合反應(yīng)中心，而是以熱的形式耗散掉[33]。因此，光合作用對紅光能量的利用率要高于對藍光的。雖然利用紅色熒光CDs調(diào)控植物光合作用的研究尚未見報道，但是本課題組在前期的研究中制備了一種具有紅色和藍色雙發(fā)射的熒光CDs，其發(fā)射光譜與光合作用的吸收光譜重合。將該CDs與葉綠體復(fù)合后，葉綠體PS-Ⅰ和PS-Ⅱ的光合電子傳遞速率被顯著加快(促進效果優(yōu)于僅具有藍光發(fā)射的CDs)，使ATP的生成量提高了2.8倍。用于根施培養(yǎng)羅馬生菜后，其葉片中的光合電子傳遞速率提高了25%，并增加了植株的生物量[23]。該CDs對葉綠體ATP產(chǎn)量的提高低于前文提到的藍色熒光發(fā)射CDs(～8.7倍)，應(yīng)該是二者的QY不同或不同批次試驗條件不同導(dǎo)致的。不同熒光發(fā)射的CDs對光合作用的影響需要進一步在同一批次的試驗中加以驗證，以規(guī)避其他因素對結(jié)果的影響。

雖然遠紅光(>685 nm)不能直接被光合作用吸收利用，還會使光合量子產(chǎn)率急劇下降，但是當(dāng)遠紅光和紅光(650 nm)同時照射時，其量子產(chǎn)率會顯著升高，并且超過二者單獨照射時量子產(chǎn)率之和，該現(xiàn)象被稱為愛默生效應(yīng)(Emerson effect)[33]。在本課題組的研究中，利用還原性谷胱甘肽的甲酰胺溶液通過微波法制備了一種具有紫外吸收、遠紅外發(fā)射的熒光CDs，其發(fā)射峰位于625～800 nm(中心峰位為683 nm)。在離體葉綠體和生菜中，通過對紫外輻射的轉(zhuǎn)換，該CDs加快了光合電子傳遞速率和光合效率，其促進效果優(yōu)于僅有藍光或紅光發(fā)射的CDs。最終，使生菜的鮮重和干重分別提高了51.14%和24.60%。由于該CDs的熒光發(fā)射峰較寬(625～800 nm)，覆蓋了紅光和遠紅光，因此作者將該CDs對光合作用的促進效果歸因于愛默生效應(yīng)[34]。

3.2 CDs的量子效率(QY)

光照是光合作用所需能量的最初來源。光照強度是影響光合作用的一個重要因素。在光合作用中存在兩個光照強度節(jié)點：光補償點(Light compensation point)和光飽和點(Light saturation point)。當(dāng)葉片的光合生產(chǎn)速率與呼吸消耗速率相等時，即凈光合速率為零時的光照強度稱為光補償點。當(dāng)光合速率達到最大值時的光照強度稱為光飽和點。當(dāng)光照強度低于光補償點時，凈光合效率為負(fù)值；當(dāng)光照強度高于光飽和點時，光合效率不再提高，甚至?xí)苫钚匝?，破壞光合結(jié)構(gòu)，造成光抑制作用。只有光照強度介于光補償點和光飽和點之間時，光合效率會隨著光照強度的升高而提高[33]。

在我們的研究中，通過調(diào)控CDs中氮元素的摻雜量，制備了QY梯度變化的CDs，并且研究了CDs對光合作用的QY效應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該CDs可以均勻分布于離體葉綠體和水稻葉片中，在光的激發(fā)下可以將紫外光轉(zhuǎn)換為藍光，進而被葉綠體捕獲用于光合作用。但是，只有QY適中的CDs(QY=46.42%)才會對光合作用產(chǎn)生積極的促進作用。我們認(rèn)為，CDs的存在會對葉綠體對光的捕獲產(chǎn)生一定的干擾作用。當(dāng)QY較低時，CDs轉(zhuǎn)光作用無法補償干擾作用，造成對光合作用的抑制；當(dāng)QY較高時，CDs的轉(zhuǎn)光作用太強，使得葉綠體接收到的總光照強度超過了其光飽和點，對其光合作用產(chǎn)生了抑制作用[25]。

因此，當(dāng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中利用CDs調(diào)控植物光合作用時，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H太陽輻射強度，選擇適當(dāng)QY的CDs，以防對植物光合作用造成不利影響。

4 CDs調(diào)控光合作用機理

4.1 電子傳遞

植物的光合作用一般可分為兩個階段：類囊體膜上的光反應(yīng)(Light reaction)階段和葉綠體基質(zhì)中的碳同化(CO2assimilation)，其中光反應(yīng)包含光能的吸收轉(zhuǎn)換、電子的傳遞和光合磷酸化(圖2)。當(dāng)綠色植物葉片受到光照時，類囊體膜上的天線色素分子吸收光子后被激發(fā)，隨后將能量傳遞給中心色素分子引起光化學(xué)反應(yīng)，通過類囊體膜上的電子傳遞鏈從水分子中奪得電子并最終傳遞給NADP+，引起水分子裂解放氧和NADPH的生成。同時，ATP合酶利用電子傳遞形成的質(zhì)子跨膜動力勢合成ATP?；钴S的NADPH和ATP可以為暗反應(yīng)中CO2的固定提供能量。最終，葉綠體吸收的光能通過電能的形勢轉(zhuǎn)化為活躍的化學(xué)能，用于CO2的固定，生成生物質(zhì)[7]。

圖2 (a)葉綠體內(nèi)光合作用：光合作用的光反應(yīng)發(fā)生在類囊體膜上，而暗反應(yīng)發(fā)生在葉綠體基質(zhì)上；(b)光合電子和質(zhì)子傳遞鏈：從水到NADP+形成NADPH的線性電子轉(zhuǎn)移途徑導(dǎo)致在類囊體膜上形成質(zhì)子梯度，ATP合酶利用這種梯度來制造ATP[7]。

CDs可同時作為電子供體和電子受體，目前關(guān)于其調(diào)控植物光合作用的研究提出的作用機理主要圍繞CDs向葉綠體的光轉(zhuǎn)換和能量傳遞展開。一般來講，大多數(shù)CDs的熒光發(fā)射位于藍光區(qū)，并且CDs具有較強的熒光發(fā)射可協(xié)調(diào)性，可以做到與光合作用吸收光譜的重合。因此，在被光激發(fā)后CDs的能量可以傳遞給葉綠體，或者發(fā)揮轉(zhuǎn)光作用，使葉綠體吸收捕獲到更多的光能，加快類囊體膜上的電子傳遞速率，進而提高光合效率[22-23,25,35]。Chandra等首次利用離體的葉綠體與CDs復(fù)合后證明了CDs在光合作用中向葉綠體的能量傳遞作用[22]。隨后，其他研究者在不同CDs和不同植株上進一步驗證了CDs的這一作用[23,34]。但是，在我們的一項研究中發(fā)現(xiàn)，將檸檬酸和乙醇胺制備的CDs與葉綠體復(fù)合后，CDs并不能向葉綠體進行能量傳遞，而是在葉綠體中發(fā)揮了光轉(zhuǎn)化的作用(紫外光-藍光)，進而加快了光合電子的傳遞速率，最終提高了光合效率[25]。由此可以看出，CDs在光合作用光反應(yīng)中的作用可能與CDs的種類有關(guān)，有待進一步研究分析，以確定除了CDs的光學(xué)性質(zhì)外影響光反應(yīng)的其他因素。

4.2 RuBisCO酶活性

在植物光合作用中光反應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為活躍的化學(xué)能，為后續(xù)CO2的固定過程提供能量。在高等植物的碳同化過程中，卡爾文循環(huán)(Calvin cycle)是植物合成有機物的重要生理過程[36]。核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶(RuBisCO)是卡爾文循環(huán)中CO2固定的關(guān)鍵酶，可以催化1,5-二磷酸核酮糖與CO2結(jié)合生成3-磷酸甘油酸。

CDs在植物光合作用中除了可以發(fā)揮自身優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)外，還可以上調(diào)RuBisCO酶活性，提高植物對CO2的固定速率[25-26,37]。Wang等研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)CDs催芽萌發(fā)后的綠豆幼苗，其RuBisCO酶活性相較于對照組提高了30.9%，進一步研究發(fā)現(xiàn)CDs與RuBisCO酶結(jié)合后，后者的二級結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。因此，作者認(rèn)為CDs通過改變酶的二級結(jié)構(gòu)提高了其活性，進而加快了CO2的固定[37]。Zhang等研究發(fā)現(xiàn)植物的RuBisCO酶活性會受到CDs手性的影響，相較于L-CDs，D-CDs對RuBisCO活性的提高效果更佳[38]。CDs提高RuBisCO酶活性的作用在水稻、擬南芥和三葉草中都得以驗證[25-26]。除了影響RuBisCO酶活性外，Li等研究發(fā)現(xiàn)CDs在植物體內(nèi)會被辣根過氧化物酶催化降解為植物激素類似物和CO2。前者可調(diào)控植物的生長，而后者會參與卡爾文循環(huán)作為原料合成有機物[26,28]。

4.3 葉綠素合成

葉綠素是光合作用過程中重要的色素，負(fù)責(zé)光能的捕獲，并參與后續(xù)光能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)化。植物葉綠素含量的增加有利于光合作用中光吸收效率的提高和碳水化合物的生成。葉綠素含量已成為光合作用相關(guān)研究的關(guān)鍵指標(biāo)。

在CDs調(diào)控植物光合作用的研究中，CDs對葉綠素含量的影響可能與其種類有關(guān)。Li等利用電化學(xué)刻蝕石墨棒制備的CDs處理水稻、擬南芥和三葉草之后，發(fā)現(xiàn)雖然該CDs可以顯著提高植物的RuBisCO酶活性、碳水化合物的含量以及最終植物的生物量，并不會顯著影響植物葉片中葉綠素的含量[26,28]。然而，同一研究團隊的Wang等將利用石墨電解刻蝕得到的CDs與氨水進行水熱反應(yīng)，用于催芽處理綠豆幼苗后，綠豆葉片中的葉綠素含量相較于對照組提高了14.8%，并促進了植株光合系統(tǒng)的電子傳遞速率和光合效率以及RuBisCO酶活性[37]。一般認(rèn)為利用電化學(xué)刻蝕法制備得到的CDs表面官能團含量較少，且其QY較低。經(jīng)過氨化之后，不僅在CDs表面引入了氨基，還可以提高CDs的QY。由于植物葉綠素的合成與光照息息相關(guān)[23]，因此，我們推斷CDs對植物葉綠素含量的作用會受到其表面官能團和QY影響。在我們的研究中，利用中藥材黃柏制備的具有紅藍光雙發(fā)射的CDs，表面具有豐富的官能團，其在水中藍光和紅光的QY達到了8.6%和6.0%。將其用于培養(yǎng)羅馬生菜之后，其葉片中葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素以及總?cè)~綠素含量均較對照組得到了顯著提高[23]。隨后，我們利用檸檬酸和乙醇胺制備的CDs，表面同樣具有豐富的羧基、羥基和氨基等官能團，相對QY達到了46.42%，將其葉面噴施水稻后同樣可以提高葉片中葉綠素的含量[25]。Li等研究證明了CDs表面的親水官能團可以吸附培養(yǎng)基質(zhì)中的營養(yǎng)元素，一同被植物吸收和同化，并且CDs在植物體內(nèi)會被酶水解為植物激素類似物，用于調(diào)控植物生長[26]。CDs表面的官能團會使其在植物體內(nèi)易于轉(zhuǎn)運，以及與其他分子相結(jié)合，使其更易于參與植物體內(nèi)的反應(yīng)過程和降解代謝。這些研究證實了CDs表面官能團和QY在植物葉綠素合成中發(fā)揮的作用，但具體的作用方式需要進一步研究證明。

5 CDs調(diào)控其他光合生物的光合作用

除了綠色植物外，可以進行光合作用的生物還包括一些藻類，它們具有優(yōu)越的特性，已被認(rèn)為是一種很有潛力的生物能源和生物質(zhì)原料。

CDs同樣可以調(diào)控藻類的光合作用，并且其調(diào)控機理與綠色植物相似。Zhang等在小球藻(Chlorella vulgaris)的培養(yǎng)液中加入CDs，發(fā)現(xiàn)CDs(0～20 μg/mL)不僅不會對小球藻產(chǎn)生毒性，而且還可以保護小球藻免受紫外輻射的影響。同時，CDs(10 μg/mL)還可以提高小球藻的葉綠素含量、RuBisCO酶活性，進而提高碳水化合物的含量和小球藻的生長速率。另外，作者還發(fā)現(xiàn)CDs可被辣根過氧化物酶降解為CO2，參與卡爾文循環(huán)生成有機物[39]。類似地，Xue等制備了一種紅色熒光發(fā)射的CDs，將其用于培養(yǎng)小球藻(Chlorella regularis，F(xiàn)ACHB-729)，發(fā)現(xiàn)該CDs(1 mg/L)同樣可以提高小球藻的葉綠素含量、碳水化合物含量，并且可以提高光系統(tǒng)Ⅱ的活性。另外，作者還發(fā)現(xiàn)，經(jīng)CDs(1 mg/L)處理后小球藻中有關(guān)光捕獲復(fù)合體的基因表達量被顯著上調(diào)[40]。

對比綠色植物和藻類，不難發(fā)現(xiàn)CDs對不同光合生物體的光合作用的調(diào)控機理基本是一致的。首先，CDs可以提高光合生物中葉綠素的生物合成，提高其對光能的吸收和轉(zhuǎn)化能力。其次，CDs自身優(yōu)異的光學(xué)性能可以在光反應(yīng)中發(fā)揮光轉(zhuǎn)換和能量傳遞的作用，加快光反應(yīng)中的電子傳遞速率，促進光能向活躍的化學(xué)能(NADPH和ATP)轉(zhuǎn)化。最后，CDs可以通過改變CO2固定關(guān)鍵酶RuBisCO酶的二級結(jié)構(gòu)，提高其活性，進而促進CO2固定?？傊珻Ds調(diào)控光合生物的光合作用機理并不是單一模式的，而是全方位的整體性調(diào)控，避免了“木桶效應(yīng)”，展現(xiàn)了其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的巨大應(yīng)用潛力。并且，CDs調(diào)控光合作用不受作用對象的影響，對不同植物和藻類均可以發(fā)揮積極的作用。

6 總結(jié)與展望

目前，世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要提高糧食產(chǎn)量，以滿足人們的生存需求和工業(yè)發(fā)展需要。傳統(tǒng)的提高和保證糧食產(chǎn)量的措施基本已經(jīng)發(fā)揮到極致，繼續(xù)提高糧食產(chǎn)量的潛力不大，并且已經(jīng)給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了沉重的負(fù)擔(dān)，給環(huán)境生態(tài)安全帶來了極大的威脅。因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)亟需進行改革，發(fā)展綠色、環(huán)境友好的技術(shù)保障糧食的產(chǎn)量和安全。

農(nóng)作物的生長依賴于光合作用。雖然目前CDs通過調(diào)控植物光合作用促進植物生長的研究尚且處于萌芽階段，但是其已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。從葉綠素合成，到光能的吸收和轉(zhuǎn)化、電子傳遞，再到CO2的固定，CDs可以整體性地提高植物的光合作用，并且不受作物種類的影響。此外，除了光合作用外，研究還發(fā)現(xiàn)，CDs還可以調(diào)控植物的抗逆性，保護植物免受不良環(huán)境和有害生物的影響[28,41-42]，提高植物對營養(yǎng)物質(zhì)的同化能力[26，28]，提高土壤中固氮菌的活性，增強土壤肥力[43]，甚至還具有抗菌活性[44-45]。由此可見，CDs在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有十分巨大的應(yīng)用潛力。但是仍存在一些問題尚待解決：

(1)低成本、高產(chǎn)率合成CDs

雖然目前關(guān)于CDs的研究十分火熱，但是低成本、高產(chǎn)率合成CDs依然是其發(fā)展亟需解決的關(guān)鍵問題。大多數(shù)研究者都在關(guān)注CDs的性能，而對制備方法的改進的研究相對薄弱。即使一些研究者將CDs的產(chǎn)量提高到了克級甚至千克級，但其產(chǎn)率較低，或者產(chǎn)率很高、產(chǎn)量很低，均不適用于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。并且CDs的制備一般需要高溫、高壓條件，對制備工藝要求較高，尤其是某些具有特定性能的CDs。因此，CDs的低成本、高產(chǎn)率、簡便化制備是其產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用所面臨的最大困境。

(2)CDs的類型、粒徑、表面官能團等對調(diào)控植物光合作用的影響

目前，研究人員在CDs調(diào)控植物光合作用中的研究主要針對其光學(xué)性能促進光反應(yīng)、植物葉綠素和光合作用相關(guān)酶活性的變化，而CDs的結(jié)構(gòu)與光合作用之間的構(gòu)-效關(guān)系的研究處于空白狀態(tài)。眾所周知，CDs的各種性能大多源自其結(jié)構(gòu)，尤其是表面官能團，而且CDs易于調(diào)控結(jié)構(gòu)和功能化。因此，CDs的結(jié)構(gòu)與其調(diào)控光合作用的性能之間可能存在某種聯(lián)系，需要進一步研究證明。

(3)CDs調(diào)控植物光合作用的分子機理以及向生長和產(chǎn)量的轉(zhuǎn)化率

目前關(guān)于CDs調(diào)控植物光合作用的研究仍然停留在植物生理水平，對CDs調(diào)控植物光合作用的分子機理尚未見報道。該部分內(nèi)容也是后續(xù)的一大研究方向。另外，目前CDs對植物光合作用的調(diào)控仍然止步于光合作用本身，或部分延伸到植株的生物量。而CDs通過調(diào)控光合作用對植物生長速率和糧食產(chǎn)量的貢獻率才是該項研究的最終目的，但是依然未見相關(guān)報道。

(4)CDs在植物體內(nèi)的代謝途徑與產(chǎn)物

為了實現(xiàn)CDs在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的實際應(yīng)用，CDs的生物毒性評價不容忽視，這就必須要明確CDs在植物體內(nèi)的代謝途徑以及產(chǎn)物。由于CDs粒徑極小，自身熒光較強，為利用透射電鏡和拉曼光譜在植物體內(nèi)的觀察和檢測帶來了不便。同時，由于植物體內(nèi)的物質(zhì)組成復(fù)雜，而CDs的使用劑量較低，使得利用質(zhì)譜或核磁進行檢測帶來不便。因此，CDs在植物體內(nèi)的代謝可能需要研究人員利用多種技術(shù)手段和靈活的試驗設(shè)計進行研究。

本文專家審稿意見及作者回復(fù)內(nèi)容的下載地址：http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20210019.