近日，有机光电课题组郭鹍鹏教授团队&中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所刘家磊研究员团队在提升叶绿体太阳能利用效率，增强植物光合作用的研究成果，发表在《Aggregate》（一区期刊，影响因子13.9）上。该工作发展了一种四组分微波合成固/液双态超高荧光量子产率碳点的方法，这使得将碳点水溶液喷洒到叶面后，无论是通过气孔进入叶肉系统的碳点，还是残留在叶面的碳点，都能通过Förster能量转移将紫外区的太阳光转化为叶绿体可吸收的蓝光，从而最大程度的提高植物光合作用效率。

图1 四组分微波合成固/液双态超高荧光量子产率碳点及其提高植物光合作用原理示意图

实验表征发现，通过控制碳源柠檬酸（CA），氮源双氰胺(DCD)、羟基源1,3-双((三羟甲基)甲基氨基)丙烷(B-T-Prone)以及阻隔剂N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷（KH792）的摩尔比例，可有效提升对碳点荧光有利的石墨氮、表面羟基和C−Si键的含量，同时可有效抑制对碳点荧光不利的吡啶氮和吡咯氮含量。当CA: DCD: B-T-Prone：KH792的摩尔比优化为1:0.5:1:1.25时，制备的蓝光碳点DuB₂-CDs在水溶液和固态中绝对荧光量子产率分别达到84.04%和95.59%。与已有文献报道的水溶液中强荧光碳点需要进入植物叶肉系统作为叶绿体内人工天线促进光合作用相比，这种双态超高荧光量子产率特性使得DuB₂-CDs无论在叶肉系统内还是叶面都能作为活体植物叶绿体的工天线来最大程度的增强植物光合作用。

图2 DuB₂-CDs和SuB₂-CDs提升植物光合作用情况对比

与只能作为内天线的SuB₂-CDs（水溶液中绝对荧光量子产率80.39%，固态绝对荧光量子产率2.64%）相比，在生菜叶面喷洒DuB₂-CDs水溶液后，生菜的干重、湿重、根长都出现了大幅度提升。进一步表征发现，DuB₂-CDs作为内外人工天线，促进了光合作用中的PSII过程中的光合电子传递速率，额外增强了植物的净光合和实际光合速率，提升了psbA基因的表达水平，使植物在光合作用过程中产生更多的ATP、NADPH、可溶性糖和叶绿素b，从而促进植物的生长速率。这项工作展示了一种有前景的获得固/液双态超高效蓝光碳点的制备策略，以及同时引入叶绿体内外人工天线增强活体植物光合作用的重要性。

论文题目为“Developing dual-state ultra-efficient emissive carbon dots as internal and external artificial antenna of chloroplasts to enhance plant-photosynthesis”。

论文第一作者是新材料界面科学与工程教育部重点实验室硕士研究生赵世杰，论文通讯作者为新材料界面科学与工程教育部重点实验室郭鹍鹏教授、中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所刘家磊研究员。

全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/agt2.625