光合作用是植物、藻類和藍(lán)細(xì)菌利用太陽能將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為氧氣和有機(jī)物的過程，為地球上幾乎所有生命提供了食物和能量。然而，傳統(tǒng)的植物光合作用效率較低，通常不到1%，且植物的光合系統(tǒng)只能利用太陽光中的40%可見光，其中對(duì)藍(lán)光和紅光的吸收效率較高，但對(duì)綠光的吸收效率較低。隨著全球氣候變化和糧食需求的增加，提高光合作用效率成為科學(xué)研究的重要方向。
為提升光合作用的效率，研究人員長(zhǎng)期以來都致力于探索創(chuàng)新解決方案。近期，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院副研究員高翔團(tuán)隊(duì)聯(lián)合上海交通大學(xué)教授楊琛團(tuán)隊(duì)，在國(guó)際期刊Communications Materials上發(fā)表題為“Closed-loop enhancement of plant photosynthesis via biomass-derived carbon dots in biohybrids”的最新研究成果，團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)了一種以農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)為原料合成的碳基納米材料——碳量子點(diǎn)（CDs），并將其用于增強(qiáng)植物的光合作用（圖1）。
研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的功能化納米碳量子點(diǎn)材料（CDs），不僅具備將植物無法吸收的紫外光、吸收效率低的綠光轉(zhuǎn)換為紅光（光譜轉(zhuǎn)換器）的能力，還能夠?qū)⑽盏墓庾蛹ぐl(fā)產(chǎn)生電子，為光合電子傳遞鏈提供額外的電子（光電轉(zhuǎn)化劑）（圖1）。
團(tuán)隊(duì)將這種新型農(nóng)業(yè)生物質(zhì)碳量子點(diǎn)直接添加至藍(lán)藻液體培養(yǎng)基中或噴施在植物上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，藍(lán)藻的二氧化碳固定率提高了2.4倍（圖2），甘油的產(chǎn)量增加了2.2倍，而擬南芥的植物生物量則提高了1.8倍（圖3），這一結(jié)果充分展示了碳量子點(diǎn)在提高光合效率和植物生長(zhǎng)方面的巨大潛力。進(jìn)一步地，研究通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析顯示，這種基于農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)合成的碳量子點(diǎn)材料不僅表現(xiàn)出了出色的光能吸收利用能力，還具備了低成本和高生物相容性的優(yōu)勢(shì)，顯示在未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和光驅(qū)生物制造領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
該研究開發(fā)的新技術(shù)不僅能夠提高光合作用效率，還能在改善植物生長(zhǎng)的同時(shí)為環(huán)境保護(hù)作出貢獻(xiàn)，為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新提供潛在的解決思路?；谠摷夹g(shù)申請(qǐng)的發(fā)明專利已進(jìn)入成果轉(zhuǎn)化，并在中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院成立轉(zhuǎn)化中心，共同推動(dòng)該技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用示范。另外，高翔團(tuán)隊(duì)基于該研究成果，已與多個(gè)團(tuán)隊(duì)開展進(jìn)一步研究合作，初步實(shí)驗(yàn)顯示，該納米材料對(duì)浮萍、花生、玉米和大豆等農(nóng)作物的生長(zhǎng)具有不同程度的促進(jìn)作用，目前正在計(jì)劃開展戶外大田實(shí)驗(yàn)。
中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院副研究員高翔和上海交通大學(xué)教授楊琛為本文通訊作者，上海分子植物卓越創(chuàng)新中心博士生程文波、深圳先進(jìn)院助理研究員王雪云和研究助理胡海濤、云南大學(xué)博士生楊宇、南方科技大學(xué)碩士生余雪盟為共同第一作者。云南大學(xué)教授劉軍鐘、南方科技大學(xué)教授陳熹翰、哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授（深圳）路璐和新加坡國(guó)立大學(xué)林藝良教授為本研究提供了重要幫助。該項(xiàng)研究得到了合成生物學(xué)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)等多家單位的資助。
通訊作者簡(jiǎn)介：
高翔實(shí)驗(yàn)室主要研究方向?yàn)椴牧虾铣缮飳W(xué)，聚焦生物-材料雜合體的設(shè)計(jì)與合成技術(shù)，通過將半導(dǎo)材料整合至生物體(微生物、植物等)，利用光電特性優(yōu)異的材料捕獲光能并傳遞至細(xì)胞內(nèi)，為生物體提供額外能量來源，從而增強(qiáng)其光能驅(qū)動(dòng)的代謝與合成能力，開發(fā)雜合體在農(nóng)業(yè)、能源和環(huán)境等應(yīng)用。研究成果發(fā)表在Nature Sustainability、Nature Chemistry、Chemical Reviews、Science Advances、Advanced Science等期刊上。
招聘信息：課題組現(xiàn)招聘有合成生物學(xué)、微生物學(xué)、電化學(xué)、光電催化、半導(dǎo)體材料等相關(guān)背景的博士后2名，開展微生物細(xì)胞工廠的設(shè)計(jì)與優(yōu)化、納米材料與細(xì)胞雜合以及利用光電技術(shù)驅(qū)動(dòng)生物反應(yīng)等技術(shù)的研究，歡迎對(duì)合成生物學(xué)與材料交叉領(lǐng)域感興趣的同學(xué)前來咨詢并加入我們的研究團(tuán)隊(duì)（聯(lián)系郵箱：gaoxiang@siat.ac.cn）。
文章上線截圖
圖1：碳量子點(diǎn)材料的閉環(huán)生產(chǎn)系統(tǒng)在增強(qiáng)自然光合作用及農(nóng)業(yè)與生物制造中的應(yīng)用示意圖
圖2：碳量子點(diǎn)材料提高了藍(lán)細(xì)菌的光合作用效率
圖3：碳量子點(diǎn)材料提高了擬南芥的光合作用效率
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