光合作用是地球上最重要的生物化學(xué)反應(yīng)之一，植物和藻類借此利用太陽(yáng)能將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為氧氣與有機(jī)物，為幾乎所有生命提供食物和能量來源。然而，當(dāng)下自然狀態(tài)下的植物光合作用效率極為低下，通常不足1% 。其光合系統(tǒng)僅能利用太陽(yáng)光譜中40% 的可見光。在全球人口持續(xù)增長(zhǎng)、氣候變化影響加劇以及可耕地面積不斷減少的大背景下，糧食安全面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。提高光合作用效率成為緩解糧食危機(jī)、保障全球糧食供應(yīng)穩(wěn)定的關(guān)鍵科學(xué)問題，亟待創(chuàng)新的解決方案來突破現(xiàn)有困境。

　　近期，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所高翔課題組于communications materials雜志（中科院2區(qū)JCR Q1 IF=7.5）發(fā)表了題為"Closed-loop enhancement of plant photosynthesis via biomass-derived carbon dots in biohybrids"的研究論文。文中提出了一種利用生物質(zhì)衍生碳點(diǎn)（CDs）改善光合作用的閉環(huán)策略。

　　研究表明，這些碳點(diǎn)通過將太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)換為紅光并向光合電子傳遞鏈提供光激發(fā)電子，同時(shí)發(fā)揮光轉(zhuǎn)換器和光敏劑的雙重功能。利用英國(guó)Hansatech公司生產(chǎn)的Chlorolab-2液相氧電極測(cè)定不同材料的光合放氧速率。結(jié)果表明，與單一光合生物相比，整合碳點(diǎn)的藍(lán)藻-植物生物雜化系統(tǒng)顯示出更高的光合效率：藍(lán)藻的CO₂固定速率和甘油轉(zhuǎn)化率分別提升2.4倍和2.2倍，而擬南芥的鮮重增加了1.8倍。技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析表明，生物質(zhì)衍生碳點(diǎn)相比其他納米材料具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。這類碳點(diǎn)在未來可持續(xù)農(nóng)業(yè)和太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)生物制造領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

　　材料與方法

　　碳點(diǎn)（CDs）的制備：研究團(tuán)隊(duì)獨(dú)辟蹊徑，采用閉環(huán)策略，以常見的生物質(zhì)廢棄物，如稻草、雜草、樹葉以及藍(lán)藻為原料。通過溶劑熱法，成功合成出碳點(diǎn)（CDs）。這種利用廢棄生物質(zhì)制備材料的方法，既解決了廢棄物處理問題，又降低了材料合成成本，為大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

　　構(gòu)建生物雜交體：將合成的CDs 分別與藍(lán)藻以及擬南芥構(gòu)建生物雜交體。對(duì)于藍(lán)藻，把CDs 添加到其液體培養(yǎng)基中；對(duì)于擬南芥，則采用噴施CDs 溶液在植株表面的方式。以研究CDs 對(duì)不同光合生物光合作用的影響。

　　實(shí)驗(yàn)檢測(cè)指標(biāo)：在實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)置了一系列關(guān)鍵檢測(cè)指標(biāo)。通過檢測(cè)藍(lán)藻的CO?固定率，來衡量其光合作用對(duì)二氧化碳的轉(zhuǎn)化能力；測(cè)定甘油產(chǎn)量，評(píng)估藍(lán)藻代謝產(chǎn)物的生成情況；測(cè)量擬南芥的植物鮮重，直觀反映植物生物量的變化。同時(shí)，運(yùn)用技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析（TEA）手段，對(duì)CDs 與其他常見納米材料在成本、生物相容性等方面進(jìn)行對(duì)比分析，綜合評(píng)估其應(yīng)用潛力。

圖1 用于增強(qiáng)自然光合作用及農(nóng)業(yè)與生物制造應(yīng)用的碳點(diǎn)閉環(huán)生產(chǎn)示意圖

　　討論

　　CDs 的作用機(jī)制

　　光轉(zhuǎn)換功能：CDs 展現(xiàn)出獨(dú)特的光轉(zhuǎn)換特性，它能夠?qū)⒅参镫y以利用的紫外光以及吸收效率低的綠光，高效轉(zhuǎn)換為植物光合系統(tǒng)易于吸收的紅光，拓寬了植物可利用的光譜范圍，增加了光能捕獲量。

　　電子供體功能：CDs 在吸收光子后，能夠激發(fā)產(chǎn)生電子，并將這些電子注入光合電子傳遞鏈。這一過程相當(dāng)于為光合反應(yīng)額外提供了電子來源，繞過了光合系統(tǒng)中效率較低的跨膜電子傳遞環(huán)節(jié)，從而加速了光合電子傳遞速率，提高了光合作用的光反應(yīng)效率（圖2）。

圖2 構(gòu)建的CDs–Syne雜化體的表征

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　藍(lán)藻實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，與未添加CDs 的對(duì)照組相比，添加CDs 后的藍(lán)細(xì)菌CO?固定率大幅提高了2.4 倍（圖3），甘油產(chǎn)量增加了2.2 倍（圖4b）。這表明CDs 顯著增強(qiáng)了藍(lán)細(xì)菌的光合作用能力，促進(jìn)了其對(duì)二氧化碳的固定以及代謝產(chǎn)物的合成。

　　擬南芥實(shí)驗(yàn)：對(duì)擬南芥的實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣令人矚目，噴施CDs 后，擬南芥的植物鮮重提高了1.8 倍（圖5c），直觀地體現(xiàn)了CDs 對(duì)植物生長(zhǎng)的顯著促進(jìn)作用，進(jìn)一步證明了CDs 在提升植物光合作用效率方面的有效性。

圖3 碳點(diǎn)增強(qiáng)藍(lán)藻光合作用a不同濃度（10、40、80和160 mg L-1）CDs作用下Syne細(xì)胞的生長(zhǎng)曲線。b 30 mW cm-2光強(qiáng)下，不同濃度CDs處理的Syne細(xì)胞放氧速率。c40 mg L-1 CDs處理的Syne細(xì)胞在不同光強(qiáng)下的放氧速率。

圖4 碳點(diǎn)通過光敏化與光轉(zhuǎn)換作用增強(qiáng)光合作用。a碳點(diǎn)（CDs）向PETC的光激發(fā)電子轉(zhuǎn)移示意圖。叉號(hào)表示各光合作用抑制劑的阻斷位點(diǎn)。Fd：鐵氧還蛋白，F(xiàn)NR：鐵氧還蛋白-NADP+還原酶。b添加光合作用抑制劑條件下CDs–Syne雜合體系與Syne細(xì)胞的甘油產(chǎn)量。

圖5 碳點(diǎn)（CDs）能增強(qiáng)光合作用并促進(jìn)擬南芥（A. thaliana）的生長(zhǎng)。a 處理后7 天，不同濃度CDs 處理下擬南芥生長(zhǎng)的熒光照片。b-d 照片（圖b）、鮮重（圖c）和葉面積（圖d）

　　經(jīng)濟(jì)與生態(tài)效益分析

　　成本優(yōu)勢(shì)：技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析表明，基于生物質(zhì)廢棄物合成的CDs 在成本方面具有極大優(yōu)勢(shì)，生產(chǎn)成本僅為0.14 - 0.20 美元/ 克（圖6a）。相比其他非生物質(zhì)來源的納米材料，大大降低了應(yīng)用成本，為大規(guī)模推廣應(yīng)用提供了經(jīng)濟(jì)可行性。

　　生物相容性：CDs 具有良好的生物相容性，對(duì)光合生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和生理功能無明顯負(fù)面影響。這一特性確保了其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境和生物健康造成危害，有利于可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。與過渡金屬氧化物等其他納米材料相比，CDs 在單位生物量增長(zhǎng)成本上顯著降低，且生物安全性更高（圖6c）。

圖6 作物系統(tǒng)材料與生物混合系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析（TEA）。

　　結(jié)論

　　本研究成功開發(fā)出基于生物質(zhì)廢棄物的碳點(diǎn)（CDs），并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)其能夠顯著提升植物光合作用效率。無論是在藍(lán)藻的二氧化碳固定與代謝產(chǎn)物合成方面，還是在促進(jìn)擬南芥生長(zhǎng)增加生物量方面，CDs 都展現(xiàn)出了巨大潛力。同時(shí)，CDs 具備的低成本和高生物相容性優(yōu)勢(shì)，使其在可持續(xù)農(nóng)業(yè)和太陽(yáng)能生物制造領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。這種閉環(huán)策略不僅為提高光合效率提供了創(chuàng)新解決方案，還實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用，有望為解決全球糧食安全和能源問題開辟新途徑。目前，基于該技術(shù)申請(qǐng)的發(fā)明專利已進(jìn)入成果轉(zhuǎn)化階段，研究團(tuán)隊(duì)也在積極開展進(jìn)一步研究合作，對(duì)浮萍、花生、玉米和大豆等農(nóng)作物的初步實(shí)驗(yàn)顯示出不同程度的生長(zhǎng)促進(jìn)作用，后續(xù)計(jì)劃開展戶外大田實(shí)驗(yàn)，為將該技術(shù)全面推廣應(yīng)用于實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)奠定基礎(chǔ) 。