光合作用是植物、藻類和藍細菌利用太陽能將二氧化碳和水轉化為氧氣和有機物的過程，為地球上幾乎所有生命提供了食物和能量。然而，傳統的植物光合作用效率較低，通常不到1%，且植物的光合系統只能利用太陽光中的40%可見光，其中對藍光和紅光的吸收效率較高，但對綠光的吸收效率較低。隨著全球氣候變化和糧食需求的增加，提高光合作用效率成為科學研究的重要方向。

為提升光合作用的效率，研究人員長期以來都致力于探索創新解決方案。近期，中國科學院深圳先進技術研究院副研究員高翔團隊聯合上海交通大學教授楊琛團隊，在國際期刊Communications Materials上發表題為“Closed-loop enhancement of plant photosynthesis via biomass-derived carbon dots in biohybrids”的最新研究成果，團隊成功研發了一種以農業廢棄物生物質為原料合成的碳基納米材料——碳量子點（CDs），并將其用于增強植物的光合作用（圖1）。

研究團隊開發的功能化納米碳量子點材料（CDs），不僅具備將植物無法吸收的紫外光、吸收效率低的綠光轉換為紅光（光譜轉換器）的能力，還能夠將吸收的光子激發產生電子，為光合電子傳遞鏈提供額外的電子（光電轉化劑）（圖1）。

團隊將這種新型農業生物質碳量子點直接添加至藍藻液體培養基中或噴施在植物上，實驗結果表明，藍藻的二氧化碳固定率提高了2.4倍（圖2），甘油的產量增加了2.2倍，而擬南芥的植物生物量則提高了1.8倍（圖3），這一結果充分展示了碳量子點在提高光合效率和植物生長方面的巨大潛力。進一步地，研究通過技術經濟分析顯示，這種基于農業廢棄生物質合成的碳量子點材料不僅表現出了出色的光能吸收利用能力，還具備了低成本和高生物相容性的優勢，顯示在未來農業生產和光驅生物制造領域的應用前景。

該研究開發的新技術不僅能夠提高光合作用效率，還能在改善植物生長的同時為環境保護作出貢獻，為農業領域的創新提供潛在的解決思路。基于該技術申請的發明專利已進入成果轉化，并在中國科學院深圳先進技術研究院成立轉化中心，共同推動該技術在農業中的應用示范。另外，高翔團隊基于該研究成果，已與多個團隊開展進一步研究合作，初步實驗顯示，該納米材料對浮萍、花生、玉米和大豆等農作物的生長具有不同程度的促進作用，目前正在計劃開展戶外大田實驗。

中國科學院深圳先進技術研究院副研究員高翔和上海交通大學教授楊琛為本文通訊作者，上海分子植物卓越創新中心博士生程文波、深圳先進院助理研究員王雪云和研究助理胡海濤、云南大學博士生楊宇、南方科技大學碩士生余雪盟為共同第一作者。云南大學教授劉軍鐘、南方科技大學教授陳熹翰、哈爾濱工業大學教授（深圳）路璐和新加坡國立大學林藝良教授為本研究提供了重要幫助。該項研究得到了合成生物學重點研發計劃、國家自然科學基金委員會、深圳市科技創新委員會等多家單位的資助。

通訊作者簡介：

高翔實驗室主要研究方向為材料合成生物學，聚焦生物-材料雜合體的設計與合成技術，通過將半導材料整合至生物體(微生物、植物等)，利用光電特性優異的材料捕獲光能并傳遞至細胞內，為生物體提供額外能量來源，從而增強其光能驅動的代謝與合成能力，開發雜合體在農業、能源和環境等應用。研究成果發表在Nature Sustainability、Nature Chemistry、Chemical Reviews、Science Advances、Advanced Science等期刊上。

招聘信息：課題組現招聘有合成生物學、微生物學、電化學、光電催化、半導體材料等相關背景的博士后2名，開展微生物細胞工廠的設計與優化、納米材料與細胞雜合以及利用光電技術驅動生物反應等技術的研究，歡迎對合成生物學與材料交叉領域感興趣的同學前來咨詢并加入我們的研究團隊（聯系郵箱：gaoxiang@siat.ac.cn）。

文章上線截圖

圖1：碳量子點材料的閉環生產系統在增強自然光合作用及農業與生物制造中的應用示意圖

圖2：碳量子點材料提高了藍細菌的光合作用效率

圖3：碳量子點材料提高了擬南芥的光合作用效率