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合作文章丨华南农业大学雷炳富团队解析碳点在生菜和番茄发育过程中的调控机制

  • 2026-10-19 18:05:53
合作文章丨华南农业大学雷炳富团队解析碳点在生菜和番茄发育过程中的调控机制

英文题目:Regulation Mechanisms of Carbon Dots in the Development of Lettuce and Tomato

中文题目:碳点在生菜和番茄发育过程中的调控机制

期刊名称:ACS Sustainable Chemistry & Engineering

影响因子:7.1

作者单位:华南农业大学

普奈斯提供服务:透射电镜(TEM)检测

DOI:https://dx.doi.org/10.1021/acssuschemeng.0c08308

前言

碳点(CDs)对植物生长发育过程的调控已被广泛报道。然而,目前对CDs与产量和营养品质之间的关系知之甚少。

本研究对L-半胱氨酸和葡萄糖水热法获得的碳点进行了系统表征,并将其应用于生菜和番茄的水培营养液中,研究中全面分析了CDs对植物发育的调控机制。结果表明,CDs可以通过激活水通道蛋白编码基因的表达,加速种子萌发,促进幼苗根系和下胚轴伸长,通过促进矿物元素的吸收,增强光合作用,提高成熟植物的产量和营养品质。这些结果为CDs调控植物发育的机制提供了系统的见解。

研究路线

研究结果

01

CDs的结构和性能

为了全面研究CDs对蔬菜生长发育的影响,采用水热法合成了CDs(图1a)。CDs的HRTEM图像(图1b和c)显示,CDs的尺寸在1.5-2.7nm之间,晶格间距为0.21nm。CDs的紫外−可见吸收光谱显示以289nm为中心的吸收峰(图1d),可归类为N=O在sp3杂化区的吸收或C=O的n−π*跃迁。光致发光(PL)发射峰(图1d)位于410nm处,在水中的激发波长为340nm。图1e表明,当使用紫外灯(365nm)照射时,CDs的水溶液可以发出明亮的蓝光。CDs的FTIR谱(图1f)显示了3050-3700cm−1处的宽吸收带,与O−H和N−H的振动相对应,2930处的峰值与C−H键有关。在1650cm−1处的波数更像是C=O的最佳峰值。位于大约1620、1633和1629cm−1处的峰值可能是为了对应于C=O键的拉伸,同样的FTIR结果确实表明在大约1630cm−1处有一个峰值,是C=O峰。而位于1390cm−1处的峰值被指定为C−N或N−H。此外,利用XPS光谱研究了CDs的官能团和化学组成(图1g)。

图1. 碳点(CDs)的特征。(a):CDs的合成及应用工艺。(b):高分辨率透射电镜图像和(c):CDs的尺寸分布。(d):紫外−可见吸收(蓝线),在340nm激发的CDs的发射(红线)和CDs的激发光谱(黑线)。(e):在阳光下(左)和365nm紫外线照射(右)下的水溶液中CDs的图像。(f):合成的CDs的傅里叶变换红外光谱仪光谱和(g):x射线光电子能谱。

02

CDs的细胞毒性和摄取

在生菜和番茄的根中和茎木质部中明显观察到最强的共聚焦荧光信号(图2a和c),结合研究报道,说明植物根系可能通过质体外和共质体途径吸收。由于植物的水运输包括质体外途径和细胞途径,CDs可能在根系压力和蒸腾拉力的作用下被植物根系吸收,并随水运输到地上部分。
此外,使用HRTEM研究了在1/2 MS培养基及对照中培养10天后植物中的吸收和运输。在生菜和番茄幼苗的根和茎中分别检测到CDs颗粒(图2b和d)。尺寸和晶格间距与CDs的性质一致。在对照植株中未检测到CDs。以上结果表明,CDs可以被植物根系捕获并运输到地上部分。

图2. 在植物中CDs的吸收。(a):共聚焦图像和(b):高分辨率透射电镜(HRTEM)与1/2 MS培养基(0.066mg/mL)结合10天后生菜茎和根的图像。(c):共聚焦图像和(d):高分辨率透射电镜(HRTEM)与1/2 MS培养基(0.066mg/mL)结合10天后番茄茎和根的图像。共焦图像的比例尺为200μm。

03

CDs促进生菜和番茄幼苗的发育

CDs加速了种子的萌发和幼苗的根和下胚轴的伸长。该研究利用生菜、番茄和大白菜3个品种,研究了CDs对种子萌发和幼苗生长的影响。处理4天后番茄种子日发芽率达到最大值,结果表明CDs显著促进了番茄种子的萌发(图3a),这与之前在拟南芥中应用碳纳米管28和CDs6的研究一致。CDs从0.066增加到0.132mg/mL处理种子4d后其发芽率没有影响。在处理早期,0.066和0.132mg/mL处理之间存在差异,随着处理时间的增加,处理之间的差异可能会逐渐减少,直到没有差异为止。水分是影响种子萌发的关键因素之一,因此,含水率(图3b)和热重分析(图3c)分析表明,在1/2 MS含CDs(0.066mg/mL)的培养基中培养的番茄种子的含水率分别高于对照组和干种子。吸胀被认为是种子吸收水分的第一阶段,被认为是一个物理过程,涉及蛋白质和不溶性碳水化合物,其中水分子被氢键等静电力控制。因此,CDs处理过的植物种子萌发的加速可能是由于吸胀阶段种子的水分吸收增加所致。
0.066−0.132mg/mL的浓度范围显著促进了根和下胚轴的伸长。与未处理CDs的植株相比,生菜(图3d)、番茄(图3f)和开花大白菜(图3h)的根长分别增加了70.8%、35.8%和8%。同时,与CDs(0.066mg/mL)植株相比,番茄(图3e)和开花大白菜(图3g)的下胚轴长度分别显著增加了15.9%和18.8%。结合以往的研究,CDs对幼苗根系和下胚轴的伸长可能是由于幼苗光合作用和养分吸收的增强所致。番茄和生菜幼苗的根系伸长也存在剂量依赖效应。当CDs浓度大于0.33mg/mL时,对大白菜幼苗根系和下胚轴的伸长有显著的抑制作用(图3g−i)。过量的CDs进入细胞后可能在根部积累,对细胞内稳态产生负面影响,在较高浓度下,CDs可能通过产生活性氧、脂质过氧化、蛋白质和DNA损伤来发挥毒性作用。

图3. CDs对种子萌发和幼苗生长的影响。(a):番茄种子处理4d后番茄种子的发芽率。(b):添加或不添加CDs孵育2h的番茄种子水分水平;进行3次生物重复。(c):用1/2 MS培养基处理2h后番茄种子的质量损失(CDs浓度:0.066mg/mL)。(d):不同浓度生菜幼苗处理5天后的根长度。不同浓度处理10天后,(e):番茄幼苗的下胚轴长度和(f):根长。不同浓度处理10天后,(g):开花大白菜幼苗的下胚轴长度和(h):根长。(i)−(k)不同处理下的开花大白菜、生菜和番茄幼苗的开花图像。(p<0.05)。

CDs可提高成熟植物的产量和营养品质。然而,不同功能特征的CDs对一种作物和同一CDs对不同品种的潜在调控机制是可变的。因此,作者研究了CDs对成熟生菜和番茄果实的产量、VC、可溶性蛋白和可溶性糖含量的影响。

在CDs处理下,生菜地上部分(图4a和d)、根(图4b和e)的鲜重和干重以及番茄果实的产量(图4c)显著提高。此外,经CDs处理的生菜中VC(图4h)和可溶性糖(图4j)的含量显著提高(p<0.05),而与未经CDs处理的生菜相比,可溶性蛋白含量差异不大。同时,与无CDs处理相比,不同浓度CDs处理的番茄果实VC含量(图4h)、可溶性蛋白含量(图4i)和可溶性糖含量(图4j)明显增加。这些数据表明,CDs溶液可以有效提高成熟生菜和番茄果实的产量和营养特性。

图4. CDs对番茄和生菜产量和营养品质的影响。用不同浓度的CDs处理过的成熟生菜的(a):地上部分鲜重和(b):根鲜重。(d):成熟生菜的地上部分干重和(e):根的干重。(c):不同浓度CDs处理番茄果实(单株)的产量。(f):番茄和(g):生菜在有无CDs处理后的植物形态。(h)、(i)和(j):分别对应于用不同浓度CDs处理的成熟生菜和番茄中的VC、可溶性蛋白质含量和可溶性糖含量。

04

CDs促进成熟植物中元素的积累和光合作用

鉴于矿质元素对提高产量和营养品质的关键作用,作者定量分析了成熟生菜地上部分中几种重要矿质元素的含量。如表1所示,经CDs处理后,氮(N)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)、锰(Mn)的含量显著提高。研究表明,矿物元素可以通过氢键和静电相互作用与附着在CDs表面的亲水基团相互作用,随后,矿质元素被根中的CDs吸收并携带到茎维管系统,以刺激植物的发育。说明CDs可以诱导植物根系中矿质元素的积累,从而促进植物的发育。

光合作用将太阳能转化为化学能,是植物发育的一个重要过程。为进一步探讨CDs促进植物生长和营养品质的增强机制,作者检测了成熟生菜地上部分的光合作用和有机碳含量,包括成熟生菜功能叶片的净光合速率、叶间二氧化碳浓度、叶绿素含量和Rubisco活性等重要参数。结果发现,CDs处理提高了生菜叶片的净光合速率(Pn)(图5a),特别是在0.066mg/mL浓度下,CDs处理组和未处理组之间的细胞间二氧化碳浓度(Ci)没有明显差异。在0.033mg/mL的CDs处理下,叶片的Rubisco酶活性加快。经CDs处理的生菜叶片的电子转移速率(ETR)高于未经CDs处理的生菜叶片(图5b)。与光系统结果一致,在经CDs处理的成熟生菜中,可食用部分的有机碳含量(表1)、产量(图4a)和营养品质(图4h−j)均有提高。因此,推测CDs可以提高光系统I(PSI)的活性,从而促进植物的光合作用,提高产量,提高植物的营养价值。
在本研究中,CDs(0.066mg/mL)对照处理的番茄幼苗根系中Slaqp2、SlPIP2;5和SlTIP2;1的表达显著增加(图5c−f)。与对照组相比,CDs处理后番茄幼苗根系中的SlTIP2.3不受影响。鉴于基因的表达是时间和空间上的,CDs对SlTIP2.3表达的影响可能发生得早或晚。此外,也有可能对SlTIP2.3没有影响。需要更详细和深入的研究来探索具体的潜在原因。综上可能是CDs的亲水基团(−COOH,−OH)通过增加与水通道蛋白相关的基因的表达来促进植物生长,从而增加了水和矿物元素的吸收,并显著激活了光合作用和生长。
表1生菜地上部分有机碳及矿质元素含量

图5. CDs对生菜叶片光合作用及番茄叶片茎中水通道蛋白基因表达的影响。不同浓度CDs处理的成熟生菜(培养20天后)叶片的(a):净光合速率和(b):电子转移速率。(c)−(f):在1/2 MS培养基(0.066mg/mL)培养基中培养10天后,番茄幼苗根中4个水通道蛋白基因的相对表达水平。

讨论与总结

本研究以番茄和生菜为模型植物,研究CDs促进植物发育的调控机制。CDs可以通过提高植物矿物元素的吸光度和光合作用,促进种子萌发、幼苗发育和成熟发育。
CDs对植物发育的积极影响可能来自于一个系统和协调的调节途径,其中包括多种生理代谢过程,如水分、矿质营养和光合作用。首先,CDs水溶液的zeta电位(−13mV)带负电荷,因此,CDs可以导向带正电荷的矿物金属离子,并与K+、Ca2+、Mg2+等正矿物离子结合进入植物,促进植物的生理和代谢。此外,水是植物代谢生理的关键因素之一,直接参与了种子的萌发和根系对离子的吸收。且CDs处理提高了种子的水分含量,从而提高了发芽率,与水通道蛋白相关的基因的表达也被CDs上调。

综上推测CDs对植物发育的刺激很大程度上是由于水分的增加,促进了根系的发育,加速了营养元素的同化,增强了光合作用,最终提高了营养品质和产量。

END

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