[科研前线|氧电极] 基于生物质碳点的生物杂交系统闭环可增强植物光合作用

欢迎点击「」↑关注我们！

光合作用是地球上最重要的生物化学反应之一，植物和藻类借此利用太阳能将二氧化碳和水转化为氧气与有机物，为几乎所有生命提供食物和能量来源。然而，当下自然状态下的植物光合作用效率极为低下，通常不足 1% 。其光合系统仅能利用太阳光谱中 40% 的可见光。在全球人口持续增长、气候变化影响加剧以及可耕地面积不断减少的大背景下，粮食安全面临着严峻挑战。提高光合作用效率成为缓解粮食危机、保障全球粮食供应稳定的关键科学问题，亟待创新的解决方案来突破现有困境。

近期，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所高翔课题组于communications materials杂志（中科院2区 JCR Q1 IF=7.5）发表了题为"Closed-loop enhancement of plant photosynthesis via biomass-derived carbon dots in biohybrids"的研究论文。文中提出了一种利用生物质衍生碳点（CDs）改善光合作用的闭环策略。

研究表明，这些碳点通过将太阳辐射转换为红光并向光合电子传递链提供光激发电子，同时发挥光转换器和光敏剂的双重功能。利用英国Hansatech公司生产的Chlorolab-2液相氧电极测定不同材料的光合放氧速率。结果表明，与单一光合生物相比，整合碳点的蓝藻-植物生物杂化系统显示出更高的光合效率：蓝藻的CO₂固定速率和甘油转化率分别提升2.4倍和2.2倍，而拟南芥的鲜重增加了1.8倍。技术经济分析表明，生物质衍生碳点相比其他纳米材料具有竞争优势。这类碳点在未来可持续农业和太阳能驱动生物制造领域具有潜在应用价值。

材料与方法

碳点（CDs）的制备：研究团队独辟蹊径，采用闭环策略，以常见的生物质废弃物，如稻草、杂草、树叶以及蓝藻为原料。通过溶剂热法，成功合成出碳点（CDs）。这种利用废弃生物质制备材料的方法，既解决了废弃物处理问题，又降低了材料合成成本，为大规模应用奠定了基础。

构建生物杂交体：将合成的 CDs 分别与蓝藻以及拟南芥构建生物杂交体。对于蓝藻，把 CDs 添加到其液体培养基中；对于拟南芥，则采用喷施 CDs 溶液在植株表面的方式。以研究 CDs 对不同光合生物光合作用的影响。

实验检测指标：在实验过程中，设置了一系列关键检测指标。通过检测蓝藻的 CO?固定率，来衡量其光合作用对二氧化碳的转化能力；测定甘油产量，评估蓝藻代谢产物的生成情况；测量拟南芥的植物鲜重，直观反映植物生物量的变化。同时，运用技术经济分析（TEA）手段，对 CDs 与其他常见纳米材料在成本、生物相容性等方面进行对比分析，综合评估其应用潜力。

图1 用于增强自然光合作用及农业与生物制造应用的碳点闭环生产示意图

讨论

CDs 的作用机制

光转换功能：CDs 展现出独特的光转换特性，它能够将植物难以利用的紫外光以及吸收效率低的绿光，高效转换为植物光合系统易于吸收的红光，拓宽了植物可利用的光谱范围，增加了光能捕获量。

电子供体功能：CDs 在吸收光子后，能够激发产生电子，并将这些电子注入光合电子传递链。这一过程相当于为光合反应额外提供了电子来源，绕过了光合系统中效率较低的跨膜电子传递环节，从而加速了光合电子传递速率，提高了光合作用的光反应效率（图2）。

图2 构建的CDs–Syne杂化体的表征

实验结果分析

蓝藻实验：实验数据显示，与未添加 CDs 的对照组相比，添加 CDs 后的蓝细菌 CO?固定率大幅提高了 2.4 倍（图3），甘油产量增加了 2.2 倍（图4b）。这表明 CDs 显著增强了蓝细菌的光合作用能力，促进了其对二氧化碳的固定以及代谢产物的合成。

拟南芥实验：对拟南芥的实验结果同样令人瞩目，喷施 CDs 后，拟南芥的植物鲜重提高了 1.8 倍（图5c），直观地体现了 CDs 对植物生长的显著促进作用，进一步证明了 CDs 在提升植物光合作用效率方面的有效性。

图3 碳点增强蓝藻光合作用a不同浓度（10、40、80和160 mg L-1）CDs作用下 Syne细胞的生长曲线。b 30 mW cm-2光强下，不同浓度 CDs处理的 Syne细胞放氧速率。c40 mg L-1 CDs处理的 Syne细胞在不同光强下的放氧速率。

图4 碳点通过光敏化与光转换作用增强光合作用。a碳点（CDs）向PETC的光激发电子转移示意图。叉号表示各光合作用抑制剂的阻断位点。Fd：铁氧还蛋白，FNR：铁氧还蛋白-NADP+还原酶。b添加光合作用抑制剂条件下CDs–Syne杂合体系与Syne细胞的甘油产量。

图5 碳点（CDs）能增强光合作用并促进拟南芥（A. thaliana）的生长。a 处理后 7 天，不同浓度 CDs 处理下拟南芥生长的荧光照片。b-d 照片（图 b）、鲜重（图 c）和叶面积（图 d）

经济与生态效益分析

成本优势：技术经济分析表明，基于生物质废弃物合成的 CDs 在成本方面具有极大优势，生产成本仅为 0.14 - 0.20 美元 / 克（图6a）。相比其他非生物质来源的纳米材料，大大降低了应用成本，为大规模推广应用提供了经济可行性。

生物相容性：CDs 具有良好的生物相容性，对光合生物的细胞结构和生理功能无明显负面影响。这一特性确保了其在农业生产应用中不会对生态环境和生物健康造成危害，有利于可持续农业的发展。与过渡金属氧化物等其他纳米材料相比，CDs 在单位生物量增长成本上显著降低，且生物安全性更高（图6c）。

图6 作物系统材料与生物混合系统的技术经济分析（TEA）。

结论

本研究成功开发出基于生物质废弃物的碳点（CDs），并通过实验证实其能够显著提升植物光合作用效率。无论是在蓝藻的二氧化碳固定与代谢产物合成方面，还是在促进拟南芥生长增加生物量方面，CDs 都展现出了巨大潜力。同时，CDs 具备的低成本和高生物相容性优势，使其在可持续农业和太阳能生物制造领域具有广阔的应用前景。这种闭环策略不仅为提高光合效率提供了创新解决方案，还实现了农业废弃物的资源化利用，有望为解决全球粮食安全和能源问题开辟新途径。目前，基于该技术申请的发明专利已进入成果转化阶段，研究团队也在积极开展进一步研究合作，对浮萍、花生、玉米和大豆等农作物的初步实验显示出不同程度的生长促进作用，后续计划开展户外大田实验，为将该技术全面推广应用于实际农业生产奠定基础 。