Advanced Functional Materials: 利用双发射碳点增强叶绿体的光捕获能力,提高植物的光合作用效率

植物中的叶绿体是进行光合作用的主要细胞器,为了提高叶绿体对光的利用率,科研工作者们致力于模拟及构建叶绿体杂化体系。碳点作为一种新兴的碳纳米荧光材料,具有良好的水溶性、生物相容性和光稳定性,使其在生物成像、药物载运、生物传感器以及基因治疗等方面具有巨大应用潜力。相对于在动物细胞中的应用,碳点在植物细胞方面的应用较为滞后。碳点在紫外光区域具有强烈的吸收,如能获得高效的蓝光和红光发射碳点,将有望通过碳点的光转换作用提高叶绿体的光捕获能力,从而提高生物光合作用效率,这是相关研究的关键问题。

华南农业大学材料与能源学院刘应亮教授课题组在碳点的制备及植物应用方面取得了重要进展。该团队利用生物质(川黄柏粉)为原料,通过一步水热法获得了在水溶液中呈蓝光和红光双发射的碳点,并首次讨论了所制备碳点对离体叶绿素及活体植物光合作用效率的影响。研究表明,所制备的双发射碳点能够吸收叶绿体利用率低的紫外光,并发射出和叶绿体吸收光谱相匹配的蓝光和红光,从而增加叶绿体的光捕获能力,其中叶绿体光系统PSII中的电子转移速率提高25%,ATP产量增加2.8倍,从而实现光合作用效率的大幅提升。通过使用碳点对活体植物进行培养,证明了碳点处理后的植物叶片内具有较高的电子转移速率,增加了光合作用活性。这一方法和策略将纳米仿生材料和植物功能化很好地结合在一起,扩展了双发射碳点在植物上的新应用。相关论文发表在Advanced Functional Materials上(DOI:10.1002/adfm.201804004)。