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[科研前線│CIRAS-4]基于配位聚合物納米片的光轉(zhuǎn)換膜促進(jìn)小白菜的轉(zhuǎn)錄上調(diào)與碳固定

來源：漢莎科技集團(tuán)有限公司 更新時(shí)間：2026-03-27 17:45:31 閱讀量：69
導(dǎo)讀：[科研前線│CIRAS-4]基于配位聚合物納米片的光轉(zhuǎn)換膜促進(jìn)小白菜的轉(zhuǎn)錄上調(diào)與碳固定

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在全球碳中和目標(biāo)推進(jìn)與設(shè)施園藝綠色發(fā)展的雙重需求下，如何提升植物光合效率、強(qiáng)化生物固碳能力，成為農(nóng)業(yè)科研與產(chǎn)業(yè)升級(jí)的核心課題。太陽光中紫外光易抑制植物生長，而光合效率最高的紅光占比偏低，傳統(tǒng)無機(jī)光轉(zhuǎn)換劑又存在與有機(jī)基質(zhì)相容性差的痛點(diǎn)。鑭系配位聚合物因優(yōu)異的光物理特性成為理想替代材料，但此前尚無將其應(yīng)用于植物生長調(diào)控的實(shí)際研究。
近期，沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)王維斌老師團(tuán)隊(duì)在《Crystal Growth & Design》期刊上發(fā)表了題為Upregulated Transcription and Carbon Fixation in Brassica Rapa Var. Chinensis via Light Conversion Films Based on Coordination Polymer Nanosheets的研究論文，首次將銪基配位聚合物納米片（Eu-CPNs）作為光轉(zhuǎn)換劑，制備出新型光轉(zhuǎn)換膜（LCF），成功將紫外光“變廢為寶”轉(zhuǎn)化為紅光，顯著促進(jìn)了小白菜的生長與碳固定。
圖1 銪基配位聚合物納米片分散液的丁達(dá)爾效應(yīng)
作者首先通過超聲剝離法將銪基配位聚合物（Eu-CP）制備成二維納米片（Eu-CPNs），并將其均勻分散于熱塑性聚氨酯（TPU）基材中，形成兼具高透明性與優(yōu)異光轉(zhuǎn)換性能的薄膜。與普通對照膜相比，LCF在紫外光激發(fā)下發(fā)射出強(qiáng)烈的紅光（圖2），其在600-700 nm紅光區(qū)域的光量子通量密度顯著提升，而紫外區(qū)域則明顯下降，證明該膜成功實(shí)現(xiàn)了“紫外光→紅光”的高效光譜轉(zhuǎn)換（圖3）。此外，LCF還表現(xiàn)出更強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度、疏水性與光熱融冰性能，為冬季農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用提供了良好基礎(chǔ)。
圖2 (a)光轉(zhuǎn)換薄膜在日光下（上）、紫外光下（下）的外觀圖；(b)光轉(zhuǎn)換薄膜的三維激發(fā)-發(fā)射矩陣熒光光譜；(c)空白對照膜；(d)光轉(zhuǎn)換薄膜橫截面的掃描電子顯微鏡圖像
圖3 (a) 對照膜（CK）與光轉(zhuǎn)換膜（LCF）的透射光譜；(b) 對照膜與光轉(zhuǎn)換膜的紫外-可見吸收光譜；(c) 對照膜與光轉(zhuǎn)換膜下測得的光質(zhì)；(d) 對照膜與光轉(zhuǎn)換膜在紫外區(qū)、可見光區(qū)和紅外區(qū)的光子通量密度（PFD）
為了量化LCF對植物光合作用的實(shí)際影響，研究團(tuán)隊(duì)使用CIRAS-4便攜式光合作用測定系統(tǒng)（PP Systems），對小白菜的功能葉片進(jìn)行了凈光合速率測量，并在30天的生長期內(nèi)持續(xù)監(jiān)測其CO2同化量。結(jié)果顯示，LCF處理下的小白菜雖然瞬時(shí)凈光合速率提升不顯著，但其日均CO2同化量較對照提升了77.9%，地上部鮮重和總干重分別增加了92.0%和79.7%（圖4）。
圖4 (a) 小白菜幼苗分別在第10、20 和30天的生長情況；(b) 鮮重；(c) 干重；(d) 功能葉的凈光合速率
通過轉(zhuǎn)錄組分析，作者進(jìn)一步揭示了LCF促進(jìn)光合作用的分子機(jī)制：韋恩圖顯示LCF處理顯著激活了小白菜的基因轉(zhuǎn)錄（圖5a）；火山圖共篩選出10405個(gè)顯著差異表達(dá)基因，其中6196個(gè)顯著上調(diào)、4209個(gè)顯著下調(diào)，基因上調(diào)是核心調(diào)控趨勢（圖5b）；KEGG與GO富集分析進(jìn)一步證實(shí)，上調(diào)基因主要集中在光合作用、碳代謝、光合生物碳固定等核心通路，全面激活了光合相關(guān)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)、分子功能與生物過程，從轉(zhuǎn)錄組層面證實(shí)LCF通過上調(diào)光合與碳固定相關(guān)核心基因，從而提升了小白菜的光合固碳能力（圖5c、5d）。
圖5 空白對照膜（CK）與光轉(zhuǎn)換膜（LCF）培育下小白菜幼苗的轉(zhuǎn)錄組分析
綜上所述，作者首次制備了基于銪基配位聚合物納米片（Eu-CPNs）的新型光轉(zhuǎn)換膜（LCF），該膜實(shí)現(xiàn)了紫外光→紅光的高效光譜轉(zhuǎn)換，同時(shí)兼具優(yōu)異的機(jī)械性能與環(huán)境適配性，解決了傳統(tǒng)光轉(zhuǎn)換劑與有機(jī)基材相容性差的痛點(diǎn)。將該薄膜應(yīng)用于小白菜栽培后，顯著上調(diào)了光合作用、碳代謝相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平，大幅提升了小白菜的CO2同化量與生物量，實(shí)現(xiàn)了植物光合效率與生物固碳能力的雙重提升。

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