金属掺杂的碳量子点调控植物生长发育的机制研究.pdfVIP

金属掺杂的碳量子点调控植物生长发育的机制研究

中文摘要

随着科技的进步和纳米技术的飞速发展，纳米材料的应用也越来越多的被人

类所关注，在工业领域中纳米材料已经得到了很好的应用和发展。为了研究纳米

材料在农业领域、环境保护领域是否同样适用，例如在促进植物生长（包含促进

植物在逆境中生长）、生物成像等相关方面，我们选择了碳量子点（CDs）。CDs

是纳米材料中的一种新型材料，因其体积小以及具备极好的水溶性，可以随着水

分被植物的根吸收。为细化研究，我们合成了两个金属掺杂的碳量子点：镁氮共

掺杂碳量子点（Mg-N-CDs）和铈氮共掺杂碳量子点（Ce-N-CDs）。

首先，我们研究了Mg-N-CDs对植物生长的作用。利用不同浓度的Mg-N-

CDs培养拟南芥，探究了Mg-N-CDs对拟南芥的生长发育的影响、Mg-N-CDs在

拟南芥根和叶片中的吸收分布情况以及在拟南芥幼苗的细胞周期中相关基因

（E2Fa、H4、CYCB1;1和CDKA;1）的相对表达量。结果显示，Mg-N-CDs可以

促进拟南芥根的生长，并且大量分布在根和叶片的细胞质和细胞膜上，E2Fa和

H4的表达量随着Mg-N-CDs浓度的增加先升高后下降，CYCB1;1和CDKA;1的

表达量则随Mg-N-CDs浓度的增加而降低。进一步表明，Mg-N-CDs影响了拟南

芥幼苗的细胞周期，从而影响了根的伸长，这可能是由于细胞周期变短，导致细

胞分裂变多，从而促进根的伸长。上述结果表明，Mg-N-CDs在促进植物生长方

面有很大的应用潜力。

此外，我们又设计了Mg-N-CDs对经过UV-B辐射后小麦生长影响的相关实

验，探索了Mg-N-CDs在小麦中的生物成像及其对UV-B损伤的缓解作用。UV-

2

B辐射会影响植物的生长，并对植物产生损伤。经过UV-B辐射（10.08KJ/m/d）

后的小麦幼苗，发现其根长和株高抑制39.8%和57.4%，鲜重减少35.3%，总叶

绿素含量下降30%，也降低了小麦叶片中SOD、POD、CAT的活性。实验证明

了Mg-N-CDs具有低毒性、稳定性以及良好的生物相容性。将Mg-N-CDs应用于

有UV-B暴露的小麦幼苗，上述指标得到明显恢复，小麦中的防御酶被激活，使

其抗氧化作用增强。同时，我们还对谷胱甘肽合成相关基因进行了分析。经过UV-

B处理后，谷胱甘肽合成相关基因ATPS的表达量降低了31.6%，加入Mg-N-CDs

后其ATPS的表达量上调。Mg-N-CDs还可以通过上调谷胱甘肽相关基因（CS和

GS）的表达来提高植物的抗氧化性，这在改善小麦受UV-B辐射损伤方面发挥了

积极作用。这一发现证实了，Mg-N-CDs具备增强植物固有功能（例如抗氧化性

和光合作用）的潜力，提高植物受到环境胁迫耐受性。上述结果表明，Mg-N-CDs

可以作为一种调节剂来减轻UV-B对植物的损伤，为其在环境保护和农业生产中

的应用奠定了基础。

我们又利用水热合成法合成了Ce-N-CDs，它具有低毒性、稳定性以及良好

的生物相容性。研究了在生理和分子层面分析了Ce-N-CDs对拟南芥根系生长的

影响。0.04mg/mL的Ce-N-CDs可以促进拟南芥主根（PR）和根尖分生组织（RAM）

的生长；Ce-N-CDs有效的调控了细胞周期相关基因的表达，并且通过提高根尖

分生区细胞分裂能力和干细胞的生态位活性促进PR和RAM的生长；经过Ce-

N-CDs处理后，生长素合成基因表达上调，生长素转运载体PIN1、PIN2和PIN7

的丰度提高，从而导致了生长素的积累，最终促进了根系的生长。因此，Ce-N-

CDs在促进植物生长以及生物成像中有一定的潜在价值。

综上研究结果，为纳米材料在农业生产、环境保护以及生物成像等领域的应

用奠定了基础。

关键词：碳量子点；生物成像；氧化胁迫；细胞周期；生长素

MECHANISMOFREGULATINGPLANTGROWTH

ANDDEVELOPMENTBYMETAL-DOPEDCARBON

QUANTUMDOTS