光合作用是植物、藻类和蓝细菌利用太阳能将二氧化碳和水转化为氧气和有机物的过程，为地球上几乎所有生命提供了食物和能量。然而，传统的植物光合作用效率较低，通常不到1%，且植物的光合系统只能利用太阳光中的40%可见光，其中对蓝光和红光的吸收效率较高，但对绿光的吸收效率较低。随着全球气候变化和粮食需求的增加，提高光合作用效率成为科学研究的重要方向。
为提升光合作用的效率，研究人员长期以来都致力于探索创新解决方案。近期，中国科学院深圳先进技术研究院副研究员高翔团队联合上海交通大学教授杨琛团队，在国际期刊Communications Materials上发表题为“Closed-loop enhancement of plant photosynthesis via biomass-derived carbon dots in biohybrids”的最新研究成果，团队成功研发了一种以农业废弃物生物质为原料合成的碳基纳米材料——碳量子点（CDs），并将其用于增强植物的光合作用（图1）。
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文章上线链接：https://www.nature.com/articles/s43246-025-00763-w
研究团队开发的功能化纳米碳量子点材料（CDs），不仅具备将植物无法吸收的紫外光、吸收效率低的绿光转换为红光（光谱转换器）的能力，还能够将吸收的光子激发产生电子，为光合电子传递链提供额外的电子（光电转化剂）（图1）。
团队将这种新型农业生物质碳量子点直接添加至蓝藻液体培养基中或喷施在植物上，实验结果表明，蓝藻的二氧化碳固定率提高了2.4倍（图2），甘油的产量增加了2.2倍，而拟南芥的植物生物量则提高了1.8倍（图3），这一结果充分展示了碳量子点在提高光合效率和植物生长方面的巨大潜力。进一步地，研究通过技术经济分析显示，这种基于农业废弃生物质合成的碳量子点材料不仅表现出了出色的光能吸收利用能力，还具备了低成本和高生物相容性的优势，显示在未来农业生产和光驱生物制造领域的应用前景。
图1：碳量子点材料的闭环生产系统在增强自然光合作用及农业与生物制造中的应用示意图
图2：碳量子点材料提高了蓝细菌的光合作用效率
图3：碳量子点材料提高了拟南芥的光合作用效率
该研究开发的新技术不仅能够提高光合作用效率，还能在改善植物生长的同时为环境保护做出贡献，为农业领域的创新提供潜在的解决思路。基于该技术申请的发明专利已进入成果转化，并在中国科学院深圳先进技术研究院成立转化中心，共同推动该技术在农业中的应用示范。另外，高翔团队基于该研究成果，已与多个团队开展进一步研究合作，初步实验显示，该纳米材料对浮萍、花生、玉米和大豆等农作物的生长具有不同程度的促进作用，目前正在计划开展户外大田实验。
中国科学院深圳先进技术研究院副研究员高翔和上海交通大学教授杨琛为本文通讯作者，上海分子植物卓越创新中心博士生程文波、深圳先进院助理研究员王雪云和研究助理胡海涛、云南大学博士生杨宇、南方科技大学硕士生余雪盟为共同第一作者。云南大学教授刘军钟、南方科技大学教授陈熹翰、哈尔滨工业大学教授（深圳）路璐和新加坡国立大学林艺良教授为本研究提供了重要帮助。该项研究得到了合成生物学重点研发计划、国家自然科学基金委员会、深圳市科技创新委员会等多家单位的资助。
通讯作者简介：
高翔实验室主要研究方向为材料合成生物学，聚焦生物-材料杂合体的设计与合成技术，通过将半导材料整合至生物体(微生物、植物等)，利用光电特性优异的材料捕获光能并传递至细胞内，为生物体提供额外能量来源，从而增强其光能驱动的代谢与合成能力，开发杂合体在农业、能源和环境等应用。研究成果发表在Nature Sustainability、Nature Chemistry、Chemical Reviews、Science Advances、Advanced Science等期刊上。
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