石墨烯量子点在玉米根部的吸收、植物效应及纳米二氧化硅的影响.pdf

摘要

石墨烯量子点(Graphenequantumdots,GQDs)是一种新型荧光碳纳米材料，由

于其独特的生物、光学、电子和化学特性而在生物医学、传感和催化等领域有广泛

的应用前景。近来，GQDs在环境中的归趋及其生态效应也引起研究学者的广泛关注。

当GQDs释放到环境中时，可被植物吸收并通过食物链对生态系统和人类产生潜在

威胁。我们之前的研究已经表明GQDs可以被玉米叶部吸收并产生毒性效应，其中

GQDs的表面电荷性质是这一过程的一个重要影响因素。然而，目前关于不同电荷性

质的GQDs在农作物根部的吸收行为及其植物效应仍然鲜见报道。另一方面，二氧

化硅纳米颗粒(Silicananoparticles,SiO2NPs)是一种具有广阔应用前景的纳米肥料，

能够提高植物应对各种生物和非生物胁迫的能力。然而，关于SiO2NPs如何调节农

作物对GQDs暴露的响应，目前尚缺乏深入了解。基于此，本研究结合荧光分光光

度法、荧光显微镜成像技术和转录组分析等手段，系统地研究了不同电荷性质的

GQDs在玉米根部的吸收和植物效应，并探讨了SiO2NPs在调节玉米在GQDs暴露

过程中的响应。主要研究结果如下：

1、分别将玉米幼苗通过水培的方式暴露于带正电荷氨基修饰的GQDs

(GQDs-NH)、电中性未经修饰的GQDs(GQDs-UN)和带负电荷羟基修饰的GQDs

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(GQDs-OH)中。结果表明，三种不同电荷的GQDs均能通过玉米根部吸收并迁移至

叶片，其中带正电荷的GQDs-NH2因与细胞壁之间存在静电引力而在根部的吸收效

率和在植物体内的积累量均表现出较高水平。此外，无论电荷性质如何，GQDs在玉

米根部的积累量均为最高，茎部次之，叶片中的积累量最少。生理生化实验表明，

三种不同电荷的GQDs均对玉米幼苗的生长发育有负面影响。相较于带负电荷的

GQDs-OH处理组和电中性的GQDs-UN处理组，带正电荷GQDs-NH2处理对玉米幼

苗的生长和光合作用产生了更显著的抑制作用，并引发更强烈的氧化应激反应。

2、分别将玉米幼苗通过水培的方式暴露于SiO2NPs、GQDs-NH2和SiO2NPs+

GQDs-NH2中。结果表明，SiO2NPs通过促进GQDs-NH2团聚体的形成从而显著减

少GQDs-NH2在根部和叶片中的积累，分别减少了33.3%和58.8%。从生理学角度来

看，SiO2NPs的存在导致GQDs胁迫下植物的光合作用和抗氧化酶活性均有了大幅

度的提升。KEGG富集分析表明差异表达基因主要与光合作用通路、植物MAPK信

号通路和谷胱甘肽代谢有关。SiO2NPs不仅通过上调光合作用相关基因的表达，有

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效改善了GQDs-NH2对玉米幼苗生长和光合性能的抑制作用，还通过上调抗氧化酶

活性相关基因的表达，缓解了GQDs-NH2诱导的氧化应激，并帮助重建氧化还原稳

态。上述结果表明，SiO2NPs的根系施用缓解了GQDs-NH2对植物光合作用和生长

的抑制作用，这对推进纳米肥料在农业中的可持续利用具有重要意义。

关键词：石墨烯量子点；表面电荷；二氧化硅纳米颗粒；植物效应；转录组学

II

ABSTRACT

Graphenequantumdots(GQDs)areanewcategoryoffluorescentcarbon

nanomaterialswithawiderangeofapplicationsinbiomedicine,sensingandcatalysisdue

totheiruniquebiological,optical,electronicandc