[科研前线│CIRAS-4]基于配位聚合物纳米片的光转换膜促进小白菜的转录上调与碳固定

来源：汉莎科技集团有限公司更新时间：2026-03-27 17:45:31 阅读量：89

导读：[科研前线│CIRAS-4]基于配位聚合物纳米片的光转换膜促进小白菜的转录上调与碳固定

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在全球碳中和目标推进与设施园艺绿色发展的双重需求下，如何提升植物光合效率、强化生物固碳能力，成为农业科研与产业升级的核心课题。太阳光中紫外光易抑制植物生长，而光合效率最高的红光占比偏低，传统无机光转换剂又存在与有机基质相容性差的痛点。镧系配位聚合物因优异的光物理特性成为理想替代材料，但此前尚无将其应用于植物生长调控的实际研究。

近期，沈阳农业大学王维斌老师团队在《Crystal Growth & Design》期刊上发表了题为Upregulated Transcription and Carbon Fixation in Brassica Rapa Var. Chinensis via Light Conversion Films Based on Coordination Polymer Nanosheets的研究论文，首次将铕基配位聚合物纳米片（Eu-CPNs）作为光转换剂，制备出新型光转换膜（LCF），成功将紫外光“变废为宝”转化为红光，显著促进了小白菜的生长与碳固定。

图1 铕基配位聚合物纳米片分散液的丁达尔效应

作者首先通过超声剥离法将铕基配位聚合物（Eu-CP）制备成二维纳米片（Eu-CPNs），并将其均匀分散于热塑性聚氨酯（TPU）基材中，形成兼具高透明性与优异光转换性能的薄膜。与普通对照膜相比，LCF在紫外光激发下发射出强烈的红光（图2），其在600-700 nm红光区域的光量子通量密度显著提升，而紫外区域则明显下降，证明该膜成功实现了“紫外光→红光”的高效光谱转换（图3）。此外，LCF还表现出更强的机械强度、疏水性与光热融冰性能，为冬季农业生产中的实际应用提供了良好基础。

图2 (a)光转换薄膜在日光下（上）、紫外光下（下）的外观图；(b)光转换薄膜的三维激发-发射矩阵荧光光谱；(c)空白对照膜；(d)光转换薄膜横截面的扫描电子显微镜图像

图3 (a) 对照膜（CK）与光转换膜（LCF）的透射光谱；(b) 对照膜与光转换膜的紫外-可见吸收光谱；(c) 对照膜与光转换膜下测得的光质；(d) 对照膜与光转换膜在紫外区、可见光区和红外区的光子通量密度（PFD）

为了量化LCF对植物光合作用的实际影响，研究团队使用CIRAS-4便携式光合作用测定系统（PP Systems），对小白菜的功能叶片进行了净光合速率测量，并在30天的生长期内持续监测其CO2同化量。结果显示，LCF处理下的小白菜虽然瞬时净光合速率提升不显著，但其日均CO2同化量较对照提升了77.9%，地上部鲜重和总干重分别增加了92.0%和79.7%（图4）。

图4 (a) 小白菜幼苗分别在第10、20 和30天的生长情况；(b) 鲜重；(c) 干重；(d) 功能叶的净光合速率

通过转录组分析，作者进一步揭示了LCF促进光合作用的分子机制：韦恩图显示LCF处理显著激活了小白菜的基因转录（图5a）；火山图共筛选出10405个显著差异表达基因，其中6196个显著上调、4209个显著下调，基因上调是核心调控趋势（图5b）；KEGG与GO富集分析进一步证实，上调基因主要集中在光合作用、碳代谢、光合生物碳固定等核心通路，全面激活了光合相关的细胞结构、分子功能与生物过程，从转录组层面证实LCF通过上调光合与碳固定相关核心基因，从而提升了小白菜的光合固碳能力（图5c、5d）。

图5 空白对照膜（CK）与光转换膜（LCF）培育下小白菜幼苗的转录组分析

综上所述，作者首次制备了基于铕基配位聚合物纳米片（Eu-CPNs）的新型光转换膜（LCF），该膜实现了紫外光→红光的高效光谱转换，同时兼具优异的机械性能与环境适配性，解决了传统光转换剂与有机基材相容性差的痛点。将该薄膜应用于小白菜栽培后，显著上调了光合作用、碳代谢相关基因的转录水平，大幅提升了小白菜的CO2同化量与生物量，实现了植物光合效率与生物固碳能力的双重提升。

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