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Nano Res.│石墨烯的摄入对植物叶绿体的光合作用有增强效应

发布时间:2020-9-14 9:52:38      阅读155

  背景介绍
  自然光合作用为人类提供了赖以生存的粮食和其他生物能源的原材料。随着纳米技术的快速发展,人们开始致力于构建纳米仿生材料,用于促进植物叶绿体光合作用,提高农作物产量,以期开发纳米材料及技术在农业领域的应用潜能。碳纳米材料由于具有优异的光学、电学等特性,被广泛应用于多个领域。近年来,有研究表明构筑的单壁碳纳米管-叶绿体人工光合作用系统能够提高叶绿体的光合作用效率,由此碳纳米材料在此领域展现出了极大的应用潜能。然而,体外暴露的碳纳米材料能否进入植物活体,能否在体内传输至叶绿体以及对叶绿体光合作用的影响机制等都是制约碳纳米材料作为仿生材料在未来农业领域应用的一大长期挑战。
  研究方法
  (1)采用C-14标记技术实现对水稻组织中石墨烯的准确定量和追踪:通过水相暴露C-14标记石墨烯后,利用生物氧化仪和液闪仪等准确测定石墨烯在水稻根茎叶、叶绿体、类囊体和基质中的石墨烯含量。同时,利用高分辨透射电子显微镜和显微拉曼对叶绿体内的石墨烯进行定性表征。
  (2)利用活体植物分子影像系统对摄取石墨烯的水稻叶片进行延迟荧光成像,原位探究石墨烯对叶片光合作用的影响;同时,采用体外实验进一步探究石墨烯对叶绿体光合作用的影响过程及机制。
  成果简介
  在本工作中,南京大学环境学院毛亮课题组利用碳14标记技术定量分析了石墨烯通过水相暴露后在水稻叶片内的累积量,并进一步检测到叶片累积的石墨烯约有44%和29%分布在叶绿体和类囊体中。利用活体植物分子影像系统发现石墨烯的摄入显著增强了叶绿体的延迟荧光强度,并使ATP的生成量提高了2.4倍。
  作者进一步对石墨烯促进叶绿体合成ATP的相关机制进行了研究,结果发现一方面石墨烯能够显著促进类囊体光合系统PSII的电子传递速率;另一方面,石墨烯能够作为活性氧物种(ROS)的捕获剂,将光反应中叶绿体产生的过量ROS捕获,减少了ROS对光合系统PSII的攻击和破坏,进而保护了PSII的活性。此项工作结合体内和体外实验揭示了石墨烯对水稻叶绿体光合作用产生影响的可能机制,为设计新型仿生材料用于提高太阳能转化效率,尤其是对修复或增强逆境环境下植物的光合作用,提供了新思路。

 

  作者简介
  毛亮,南京大学环境学院副教授,博士生导师。国家高层次人才特殊支持计划青年拔尖人才,江苏省“六大人才高峰”高层次人才,全国优秀博士学位论文获得者。主持国家自然基金、教育部博士点基金等多项省部级项目。研究团队长期致力于应用放射化学方法开展纳米材料的应用及安全性研究,近年来,在Angew Chem Int Ed, ACS Nano, Environ Sci Technol, Water Res等期刊发表学术论文60余篇。
  我们十分欢迎具有与环境化学交叉方向的植物学、生命科学、医学等背景的硕士生、博士生和博士后加入我们的团队。
  文章信息
  Kun Lu, Danlei Shen, Shipeng Dong, Chunying Chen, Sijie Lin, Shan Lu, Baoshan Xing & Liang Mao*. Uptake of graphene enhanced the photophosphorylation performed by chloroplasts in rice plants. Nano Research

  文章来源: NanoResearch

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