青年教师李亚东在碳量子点提高植物抗逆性方面取得系列进展

当前全球气候变化导致农作物受到不良环境条件的胁迫逐年加重，威胁农业生产安全。在胁迫环境条件下，农作物体内代谢紊乱，活性氧大量积累，破坏作物细胞组织，抑制作物生长甚至死亡。近些年，纳米农业技术受到关注，纳米材料促进植物生长和缓解环境胁迫被广泛报道。碳量子点是一种新型碳基荧光纳米材料，制备简便，成本低廉，具有优异的光致发光性和生物相容性等优点，在农业和生物领域表现出巨大的应用潜力。近期，我系青年教师李亚东在碳量子点调控植物抗逆性领域取得系列研究进展，研究成果发表于国际著名学术期刊The Crop Journal、Science of the Total Environment和Pesticide Biochemistry and Physiology。

        1. 叶面预喷施氮掺杂碳量子点通过调控代谢、抗氧化和细胞壁发育增强水稻的胁迫耐受性

作者利用水热法制备了氮掺杂碳量子点。在水培条件下，通过叶面预喷施一周后暴露于盐（100 mM NaCl）、镉（1 mg/L）和 2,4-D（5 mg/L）胁迫。预喷施碳量子点的水稻幼苗根和叶指标参数未喷施处理组相比提高了12.77% - 205.03%，显著提高了水稻幼苗的抗逆性。转录组结果表明，预喷施碳量子点通过调控水稻幼苗的植物激素和 MAPK 信号通路，上调了与代谢、抗氧化活性、细胞骨架和细胞复制相关的基因。代谢组学结果显示，预喷施碳量子点的水稻幼苗具有更高的物质代谢、能量代谢和细胞骨架发育水平。生理和表型研究证实，预先喷施碳量子点的水稻幼苗，其根系活力、细胞质浓度以及钙、镁和锰的含量分别提高了115.09%、39.52%、9.37%、13.07% 和 19.29%，过氧化物酶活性提高了160.74%，同时还提高了水稻幼苗的细胞壁厚度和根系木质纤维素含量。因此，叶面预喷施碳量子点通过介导信号通路提高代谢、抗氧化活性和细胞壁发育，从而增强了水稻幼苗对逆境的防御机制。

该成果以Pre-spraying nitrogen-doped carbon dots prior to stress enhance rice tolerance by improving metabolism, antioxidant, and cell wall为题发表于Pesticide Biochemistry and Physiology（2025, 213, 106527，DOI: 10.1016/j.pestbp.2025.106527）。生态环境系李亚东副教授为第一作者，王洪杰教授为通讯作者。2021级研究生许荣华主要参与该研究工作。该工作受到国家自然科学基金重点项目(42207032、52070064)、河北大学人才引进项目（521100222012）、河北省青年拔尖人才项目（BJK2024161）和河北大学青年拔尖人才项目的支持。感谢京津冀（雄安新区）生态安全与生态保护教育部工程研究中心的支持。

图1. 叶面预喷施碳量子点促进水稻生长和抗逆性的机制示意图

        2. 叶面喷施碳量子点抑制水稻幼苗富集镉：根际钝化、根系发育和亚细胞分布

镉是一种广泛存在于稻田中的有毒重金属，威胁着食品安全和人体健康。叶面处理是一种经济、简单、不受时间限制的水稻重金属阻控方法。作者通过叶面喷施处理水稻幼苗，结果发现碳量子点可使水稻根系和茎部镉的积累量显著降低31.51%和17.93%。基因表达和矿物质营养元素分析表明，碳量子点处理通过抑制OsNramp1基因和提高铁、锰对OsNramp5基因的竞争抑制水稻幼苗吸收镉。此外，碳量子点处理调控OsHMA2基因抑制镉从根部向地上部的转运，并上调了OsHMA3基因，提高了液泡对镉的固定作用。此外，碳量子点处理后，水稻幼苗根系生物量、细胞壁厚度和机械强度增加，进而促进水稻生长发育并抑制镉的吸收。在水稻根际，碳量子点处理增加了有机碳含量，并通过调控根系分泌物改变了根际微生物群落，促进了孔隙水中溶解态镉与有机物和铁锰氧化物的结合，最终降低了根际镉的生物有效性。

该成果以Foliar spraying of carbon dots reduces cadmium accumulation in rice by regulating rhizosphere immobilization, root development, and subcellular distribution为题发表于Science of the Total Environment（2024, 955, 177236，DOI: 10.1016/j.scitotenv.2024.177236）。生态环境系李亚东副教授为第一作者，生态环境系王洪杰教授为通讯作者。2021级研究生许荣华主要参与该研究工作。该工作受到国家自然科学基金重点项目(42207032、42330705)、河北省青年拔尖人才项目（BJK2024161）、河北大学人才引进项目（521100222012）和河北大学青年拔尖人才项目的支持。感谢京津冀（雄安新区）生态安全与生态保护教育部工程研究中心的支持。

图2. 叶面喷施碳量子点抑制水稻吸收镉的机理示意图

        3. 叶面预喷施硒氮掺杂碳量子点促进水稻幼苗生长和盐胁迫抗逆性

作者利用水热法制备了硒和氮共掺杂的碳量子点材料，Se掺杂可提高碳量子点自身的抗氧化和自由基清除活性。通过叶面预喷施水稻后，该碳量子点提高了水稻体内的抗氧化防御酶活性，同时在叶绿体中可以将紫外辐射转化为光合有效辐射，提高光合活性，并且可以缓解氧化胁迫对光合活性的抑制作用。转录组学分析显示，叶面预喷施碳量子点激活水稻幼苗体内Ca²⁺和茉莉酸信号通路，诱导提高铁离子稳态、过氧化物酶、抗坏血酸氧化酶和植物细胞壁的发育。最终，显著提高了水稻的抗氧化活性和光合作用，使其暴露于盐胁迫后表现出较高的抗逆性。

该成果以Selenium–nitrogen-co-doped carbon dots increase rice seedling growth and salt resistance为题发表于The Crop Journal（2024, 12, 1496–1501，DOI: 10.1016/j.cj.2024.06.014）。生态环境系李亚东副教授为第一作者，刘应亮教授（华南农业大学）和生态环境系王洪杰教授为通讯作者。2021级研究生许荣华主要参与该研究工作。该工作受到国家自然科学基金重点项目(42207032，52070064，G42330705)、河北省重点研发项目（21373601D）、河北大学人才引进项目（521100222012）和河北大学青年拔尖人才项目的支持。感谢京津冀（雄安新区）生态安全与生态保护教育部工程研究中心的支持。

图3. 叶面预喷施硒氮掺杂碳量子点促进水稻生长和盐胁迫抗逆性的机理示意图