综述|碳点在农业中的应用:合成、功能化与植物相互作用机制

现代农业面临增产增效与环境压力的双重矛盾，传统化肥农药大量施用带来土壤退化、农产品安全风险等系列问题，碳点作为一类尺寸小于 10 nm 的新兴零维碳基纳米材料，具备易制备、可修饰、生物相容性好、毒性低、荧光特性优异等优势，在农业领域展现巨大潜力，但现有研究大多聚焦单一功能与局部机制，缺少材料设计‑功能表达‑植物响应之间的系统性梳理。

2026 年8月12日，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及合作者在ACS Agricultural Science & Technology发表题为Applications of Carbon Dots in Agriculture: Synthesis, Functionalization, and Plant Interaction Mechanisms的综述文章。该综述从跨尺度视角系统梳理碳点的合成策略、功能化改性设计、农业多元应用以及碳点‑植物互作底层机制，总结生物质基绿色合成路线的优势，剖析碳点在促养分利用、抗逆、植物内源信号检测等方面的多功能协同潜力，为面向农业需求的高性能碳点靶向设计与精准施用提供参考。

图形摘要

该综述首先将碳点分为石墨烯量子点、碳量子点、碳纳米点、碳化聚合物点四大类别，系统对比自上而下与自下而上两大合成技术路线，自上而下包含电弧放电、化学氧化、激光烧蚀、超声法，该类方法可以获得高纯度产物，但普遍存在设备昂贵、产率低、规模化难度大的短板；自下而上是农业应用的主流，包含水热、微波、热解、等离子体合成，其中水热法、微波法可利用农业废弃物等生物质原料，成本低、易于放大，更适合大田层面土壤改良、抗逆制剂等广谱应用，而激光、电化学等精度更高的工艺更适配高附加值的精准农业场景，例如纳米传感器、载体递送，文章同时提出未来可以借助机器学习优化反应参数、连续流反应器降低能耗，建立适配不同农业场景的多层次制备体系。

图1.为碳点主要合成方法示意图，分为自上而下(电弧放电、化学氧化、激光烧蚀、电化学、超声)与自下而上(水热、微波、热解、等离子体)两大类。

在功能化改性方面，综述将改性策略分为共价修饰与非共价修饰两大类，共价修饰依靠酰胺偶联、硅烷化、酯化等化学反应在碳点表面接枝功能分子，实现靶向识别、荧光性能提升；非共价修饰依靠静电作用、π‑π 堆叠、配位化学，条件温和且不破坏碳点本征结构，适合构建递送系统与比率型荧光传感平台，杂原子掺杂(氮、硫、稀土等)也是调控碳点光学、催化活性的重要手段，表面官能团是决定碳点水溶性、胶体稳定性、生物活性的核心要素。

图2.为碳点促进植物生长发育的功能示意图，包含促进种子萌发幼苗生长、提升抗逆性、增强光合作用、强化养分吸收四大模块。

文章接着系统归纳碳点在农业当中的四大应用方向：促进植物生长发育、提升抗逆能力、荧光生物传感、多通路协同调控。在促生长方面，碳点凭借纳米尺寸可以穿透种子，依靠表面羟基、羧基提升种子吸水能力，促进萌发；进入植株后可以提升叶绿素含量、Rubisco 酶活性、光合电子传递效率，强化光合作用，同时调控谷氨酰胺合成酶等关键代谢酶，改善氮素等养分吸收，实现生物量提升，但碳点效应存在明显浓度依赖性，高浓度会产生抑制效应，需要结合作物种类、生育期优化施用剂量。

表1.为不同类型碳点合成方式、作物种类、处理效应及作用机制汇总。

在抗逆层面，碳点既可以缓解干旱、盐胁迫、极端温度、重金属等非生物胁迫，也可以抵御真菌、细菌、病毒带来的生物胁迫。面对非生物胁迫，碳点发挥类纳米酶活性直接清除 ROS，提升 SOD、POD、CAT 等抗氧化酶活性，调控脱落酸、脯氨酸等信号物质，上调水通道蛋白维持渗透平衡，保护光合机构。针对生物胁迫，碳点兼具直接抑菌活性，同时能够激活植物自身免疫通路，还可以作为 dsRNA 等功能分子的递送载体，实现病害绿色防控。

图3.为碳点提升植物抗逆能力示意图，分为生物胁迫抗性、非生物胁迫抗性、农业生物传感三部分。

表2.为碳点提升作物抗逆相关研究汇总。

在农业传感领域，依托碳点优异荧光特性，可以实现农药残留、重金属离子、植物激素、乙烯等信号分子的高灵敏检测，结合机器学习有潜力发展高通量、无损的植物健康监测技术。

图4.展示碳点与植物之间的协同效应，包含增强光合效率、根际微生物互作、清除 ROS、信号分子转运等过程。

表3.为碳点用于农业传感的相关研究汇总。

综述进一步总结碳点的协同作用模式，碳点可以同时作用于根际微生物群落与植物胞内信号通路，多元素共掺杂能够激活多条胁迫信号通路，实现光合、抗氧化、养分代谢的协同增益，是未来多功能农业纳米制剂的重要研发思路。

图5.为碳点在植物体内的作用机制示意图，涵盖生理调控、基因表达、细胞电生理、纳米酶抗氧化解毒功能。

表4.为碳点与植物协同效应相关研究汇总。

在互作机制层面，文章梳理碳点从吸收、转运到胞内作用的完整链条，碳点可以经由根系或者叶面气孔进入植物体内，转运途径分为质外体途径与共质体途径，粒径、表面电荷、亲水性、官能团会显著影响转运效率，带负电碳点可以同时利用两套通路实现根向地上部高效转运，正电碳点主要依靠质外体通路且转运效率更低；进入细胞之后，碳点会调控水通道、养分转运蛋白基因表达，改变跨膜离子转运，调节胞内电生理特性，部分掺杂碳点具备多重类酶活性，在胞内清除活性氧、降低重金属毒害，同时通过长距离移动信号肽实现地上‑地下部的跨组织信号传导。

图6.为不同表面电荷碳点在植物根系中质外体、共质体转运路径对比示意图。

文章同时客观指出碳点的环境安全风险，尽管低浓度下毒性较低，但碳点可在土壤迁移，有可能改变土壤微生物群落结构，并且存在沿食物链生物富集的潜在风险，强调后续需要开展土壤‑植物‑食物链体系的长期监测，完成剂量‑效应评估，建立适配不同作物的施用策略，在发挥效益的同时控制生态风险。

综合全文分析，碳点作为多功能农业纳米平台具备巨大应用前景，但是当前研究大多停留在实验室阶段，还存在合成批次稳定性不足、田间真实效果数据匮乏、分子互作细节有待解析、安全评价体系不完善等短板，未来应当围绕面向农业需求的定向材料设计、多组学解析分子机制、大田验证、全生命周期生态风险评估开展研究，推动碳点从实验室走向实际农业生产。

参考文献

Yeran Bai,Wenbo Bai, Filip Bureš, Massimo Rippa, Z. Seferoglu, Jialei Liu; Applications of Carbon Dots in Agriculture: Synthesis, Functionalization, and Plant Interaction Mechanisms. ACS Agric. Sci. Technol. 2026; https://doi.org/10.1021/acsagscitech.6c00307