重磅综述|碳点赋能绿色农业:增强光合作用与提升农业韧性的新一代工具

2026年4月8日，印度卡里卡特大学植物生理与生化系Jos T Puthur团队与基督大学可再生能源与环境可持续发展中心Vinod T P团队合作在皇家化学会旗下期刊Environmental Science: Nano在线发表题为Carbon Dots in Green Agriculture: Next-Generation Tool for Photosynthesis Enhancement and Agricultural Resilience的综述论文。

文章指出，面对人口增长、气候变化与传统农业化学品污染带来的粮食安全挑战，植物纳米技术成为可持续农业的关键突破口，而碳点(CDs)作为一类新型零维碳基纳米材料，凭借低毒、高生物相容性、易修饰、光学可调等优势，在绿色农业中展现出替代传统化肥农药、提升作物生产力与抗逆性的巨大潜力，有望推动农业向低碳、循环、高效方向转型。

图1.碳点核心特性示意图

碳点是直径通常小于10 nm的准球形碳基纳米材料，可分为石墨态与无定形态，表面富含氨基、羧基、羟基等官能团，具备优异水溶性、可调荧光与光稳定性；其尺寸、表面官能团、电荷与光学特性直接决定在植物体内的吸收、转运与生理效应，例如小于7 nm、低浓度(<10 ppm)、负电荷的碳点更易穿透细胞壁并高效由根向叶转运，光学上可实现紫外/近红外光向光合有效辐射的下转换与上转换，成为提升光合效率的核心基础。

图2.碳点影响光合作用的机制通路示意图

碳点在农业中主要通过种子引发、叶面喷施、水培添加与土壤施用四种方式应用，可经质外体与共质体途径被根系或叶片吸收，随蒸腾流转运至全株并富集于叶脉，还能通过亲水基团上调水孔蛋白基因、加速水分吸收，同时调控生长素相关基因促进根系发育，其降解产物可作为碳源参与植物代谢。

图3.碳点在农业中的应用方向与有益效应

在核心功能上，碳点首先是高效光合增强剂，可作为“人工光天线”拓宽植物可利用光谱，将紫外与远红外光转化为叶绿素可吸收的蓝/红光，同时加速光合电子传递、提升光系统II效率、增强Rubisco酶活性，促进CO2固定与碳水化合物积累，在水稻、玉米、生菜等作物中显著提升净光合速率与生物量；其次可作为绿色纳米肥料与养分递送载体，富含碳、氮及矿质元素，能缓控释养分、提升肥料利用率，还可负载锌、钙等元素定向供给作物，降低化肥用量与面源污染。

图4.碳点-金纳米颗粒探针检测农药的荧光淬灭与恢复机制

此外，碳点具备广谱抗菌抗真菌活性，可直接破坏病原菌结构，同时激活植物水杨酸、茉莉酸防御通路，提升抗病能力，还可作为农药增效载体减少用药量；在监测与基因编辑领域，碳点凭借荧光特性可实现植物活体成像、重金属与农药检测，还能作为安全高效的基因载体，递送DNA、siRNA与CRISPR组分，实现靶向基因编辑。

图5.碳点合成、成像、药物/基因递送及核靶向光动力治疗示意图与表征

碳点可同时缓解生物与非生物胁迫，通过清除活性氧、提升抗氧化酶活性、上调胁迫响应基因，增强作物对干旱、低温、UV-B、重金属(镉、铬、铜)等逆境的抗性，还能调节根际养分有效性与微生物群落，改善土壤健康；其可由农业废弃物、生物质绿色合成，契合循环生物经济理念，且在环境中可降解、对非靶标生物毒性极低，还能辅助光降解抗生素、染料等污染物，兼具修复环境功能。尽管碳点在农业中前景广阔，目前仍存在关键瓶颈：长期环境归趋与生态风险尚不明确、作用分子机制缺乏体内直接证据、剂量效应阈值未标准化、基因编辑的基因组稳定性与脱靶效应待验证、缺乏统一表征规范与农业专用监管框架，未来需聚焦低成本规模化合成、作物靶向修饰、长期风险评估与标准体系构建，推动碳点从实验室走向田间应用。

图6.碳点缓解生物与非生物胁迫、提升作物产量的作用机制

综上，碳点以多功能、绿色、高效的特性，成为连接纳米科技与绿色农业的关键材料，在提升光合效率、减施农用化学品、增强作物抗逆、保障粮食安全与生态安全方面具有不可替代的价值，随着机制研究与技术优化的深入，碳点将成为下一代可持续农业的核心工具之一。

图.碳点处理绿豆幼苗根、茎、子叶、叶片组织的共聚焦激光扫描显微横截面图

图.橙皮源碳点对铬胁迫生菜气孔过氧化氢生成、过氧化氢含量及脂质过氧化的影响

图.负电碳点与正电碳点在黄瓜、棉花根部横截面的分布与荧光定量分析

图.碳点在植物中的不同施用方式

图.氮掺杂碳点与叶绿体相互作用的光谱、希尔反应及对突变体生长与叶绿素的影响

图.碳点向光合电子传递链传递光激发电子的示意图与甘油产量分析

图.不同浓度碳点对绿豆生长、吸收及根冠长度的影响

图.碳点基锌肥与常规锌肥对小麦穗形成与生长的影响对比

图.碳点处理豌豆、白菜根、茎、叶片组织的共聚焦成像

表1.碳点的特性及其在植物中的应用

表2.碳点的功能修饰、材料、施用方式、作用植物及在植物中的作用

表3.碳点在植物中的应用方向及具体作用

Maria, Diya Ann, et al. "Carbon Dots in Green Agriculture: Next-Generation Tool for Photosynthesis Enhancement and Agricultural Resilience."Environmental Science: Nano (2026).http://dx.doi.org/10.1039/D5EN01050K