CN115280994A

CN115280994A - 一种利用氮掺杂功能化碳量子点提高植物光合效率和果实品质的方法

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Publication number: CN115280994A
Application number: CN202210969471.8A
Authority: CN
Inventors: 王小非; 景秀丽; 张帅; 张振鲁; 由春香; 常大勇
Original assignee: Shandong Agricultural University
Current assignee: Shandong Agricultural University
Priority date: 2022-08-12
Filing date: 2022-08-12
Publication date: 2022-11-04

Abstract

本发明属于纳米农业的技术领域，具体涉及一种利用氮掺杂功能化碳量子点提高植物光合效率和果实品质的方法，包括如下步骤：(1)以柠檬酸和聚乙烯亚胺为原料，通过水热法制备氮掺杂碳量子点；(2)将步骤(1)获得的氮掺杂碳量子点以灌溉或者叶面喷施的方式施用于植物。本发明提供的方法利用氮掺杂碳量子点来提高植物光合效率和生物量积累，进而提高果实品质。具体地，本发明提供的方法能够有效提高植物的净光合速率、鲜重、株高、根长、叶面积及可溶性糖含量，提高植物光合活性，促进植株生长；将氮掺杂碳量子施用于苹果果园，提高苹果大树叶片净光合速率的同时，苹果中可溶性固形物含量提高了17.06％。

Description

一种利用氮掺杂功能化碳量子点提高植物光合效率和果实品质的方法

技术领域

本发明属于纳米农业的技术领域，具体涉及一种利用氮掺杂功能化碳量子点提高植物光合效率和果实品质的方法。

背景技术

近年来，世界人口数量急剧增加，有研究表明到2050年全球粮食产量需增长一倍。而光合作用作为调控产量的关键因素，成为当前研究的重点之一。由于太阳光中能够被植物高效利用的只有蓝光和红光等，这使得植物对太阳光能的利用效率极低，实际利用效率不到1％，这严重限制了植物光合效率的提高。因此，为有效改善植物光合作用，研究人员相继提出了多种人工调控光质的策略。

补光灯和转光膜成为当前提高植物的光合效率的主要措施之一。专利(CN215808159 U)提供了一种设施蔬菜LED补光灯，它能够有效促进蔬菜光合作用和生长、缩短蔬菜生长周期。专利(CN 113580613 A)制备了一种新型农用转光膜，能够将太阳光中有害的紫外线和对植物生长无用的绿光、黄光转化成植物生长所必须的蓝光和红光，来提高叶绿素的光合作用能力，从而加速植物的生长。但是补光设施成本高昂。转光农膜往往是在聚乙烯农膜中掺入荧光粉或稀土离子作为转光剂，存在成本高、难降解等问题，不符合当今绿色环保的概念。

因此，开发简便、高效方法来提高光合效率，是农业领域研究的热点之一。研发新型纳米材料，通过增强植物光合能力效率，能够促进植株生长，提高植物叶片净光合速率，最终提高果实品质。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种利用氮掺杂功能化碳量子点提高植物光合效率和果实品质的方法，操作简便，绿色无污染，且可高效利用氮掺杂碳量子点来提高植物光合效率和生物量积累，促进植株生长，进而提高果实品质。

具体技术方案如下：

一种利用氮掺杂功能化碳量子点提高植物光合效率和果实品质的方法，包括如下步骤：

(1)以柠檬酸和聚乙烯亚胺为原料，通过水热法制备氮掺杂碳量子点；

(2)将步骤(1)获得的氮掺杂碳量子点以灌溉或者叶面喷施的方式施用于植物。

其中，所述的植物采用水培模式或土培模式培养，植物的培养过程中使用常规营养液，并在常规营养液中加入10～500mg/L的氮掺杂碳量子点；所述的常规营养液为霍格兰氏营养液。

进一步，所述的植物可以为果树，可将氮掺杂碳量子点溶液均匀喷施在果树上，所述氮掺杂碳量子点溶液的浓度为0.1～10g/L。

其中，所述的氮掺杂碳量子点的制备方法包括如下步骤：

将柠檬酸和聚乙烯亚胺溶解至蒸馏水中，混合均匀后置于高压反应釜内进行水热反应，反应结束后，粗产物经纯化后获得棕黄色粉状氮掺杂碳量子点材料。

进一步，所述柠檬酸的浓度为10～100g/L，所述柠檬酸的摩尔量与聚乙烯亚胺中氮元素的摩尔量之比为1：(0.1～10)。

进一步，所述水热反应的反应温度为160～200℃，反应时间为2～12h。

较佳地，所述柠檬酸的浓度为50g/L，所述水热反应的反应温度为200℃，反应时间为4h。

进一步，所述的聚乙烯亚胺为直链状或分支型的聚乙烯亚胺。

更进一步，所述的聚乙烯亚胺为乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、五乙烯六胺中的一种。

进一步，水热反应结束后，使用有机系0.22μm过滤器过滤除去未溶解大颗粒，用旋转蒸发仪去除多余水分，用丙酮溶液除去未反应的原料，获得粉末状氮掺杂碳量子点材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明提供的方法利用氮掺杂碳量子点提高了植物光合效率和生物量积累，进而提高了果实品质。具体地，本发明提供的方法利用氮掺杂碳量子点处理，能够有效提高植物的净光合速率、鲜重、株高、根长、叶面积及可溶性糖含量，提高植物光合活性，促进植株生长；将氮掺杂碳量子施用于苹果果园，提高苹果大树叶片净光合速率的同时，苹果中可溶性固形物含量提高了17.06％。且本发明提供的方法操作简便，绿色无污染。

附图说明

图1为氮掺杂碳量子点材料的透射电子显微镜图像；

图2为氮掺杂碳量子点在平邑甜茶中的分布与定位图像；

图3为氮掺杂碳量子点处理平邑甜茶后对照组与处理组的表型图；

图4为氮掺杂碳量子点处理平邑甜茶后对照组与处理组的鲜重结果图；

图5为氮掺杂碳量子点处理平邑甜茶后对照组与处理组的株高结果图；

图6为氮掺杂碳量子点处理平邑甜茶后对照组与处理组的根长结果图；

图7为氮掺杂碳量子点处理平邑甜茶后对照组与处理组的叶面积结果图；

图8为氮掺杂碳量子点处理平邑甜茶后对照组与处理组地上部的可溶性糖含量结果图；

图9为氮掺杂碳量子点处理平邑甜茶后对照组与处理组的净光合速率结果图；

图10为氮掺杂碳量子点处理苹果大树后对照组与处理组的净光合速率结果图；

图11为氮掺杂碳量子点处理苹果果实对照组与处理组的可溶性固形物含量结果图。

具体实施方式

以下结合实例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

氮掺杂碳量子点的制备，具体制备方法包括如下步骤：

取2.6mmol，0.5g柠檬酸和2.09mmol，216mg二乙烯三胺溶解于10mL蒸馏水中，即柠檬酸的浓度为50g/L，柠檬酸摩尔量与二乙烯三胺的氮元素摩尔量之比为1:2.4，将得到的溶液置于聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，在200℃条件下加热4小时，反应后自然冷却，获得棕褐色碳量子点溶液；将获得的碳量子点粗产物用有机系0.22μm滤器过滤，用旋转蒸发仪去除多余水分，用丙酮溶液除去未反应的原料，最终获得棕黄色粉状氮掺杂碳量子点材料。

对本实施例得到的氮掺杂碳量子点材料进行相关表征得到的图像，如图1所示。通过透射电子显微镜图像可以发现，本实施例制备的氮掺杂碳量子点呈球形形状，具有良好的分散性，颗粒粒径为2-5nm。

实施例2

一种利用氮掺杂功能化碳量子点提高植物光合效率和果实品质的方法：

(1)以柠檬酸和聚乙烯亚胺为原料，通过实施例1中的水热法制备氮掺杂碳量子点；

(2)将步骤(1)获得的氮掺杂碳量子点以灌溉的方式施用于植物平邑甜茶，具体操作如下：

将平邑甜茶种子浸泡3天(d)，在4℃、黑暗条件下层积1～2个月。随后，将其播种在土壤中(蛭石:土壤基质＝1:1)，待平邑甜茶幼苗长出2片真叶后，将幼苗移栽到霍格兰营养液中水培。适应2d后，将生长状态一致的幼苗转移到含有300mg/L的氮掺杂碳量子点的霍格兰营养液中进行水培，每个处理为15株。所有处理都在模拟日光下进行(光照条件为36W育苗灯+UV-A灯管，25℃，12h白天/12h黑暗)。

实施例3

(2)将步骤(1)获得的氮掺杂碳量子点以叶面喷施的方式施用于苹果果园，具体操作如下：

称取1.0g氮掺杂碳量子点溶于1L水(事先加入0.1mL的吐温表面活性剂)中，获得浓度为1.0g/L的氮掺杂碳量子点水溶液。在6-9月份，将配制好的氮掺杂碳量子点溶液均匀喷施在5年生首富3号苹果大树上，每周喷施一次。

试验：

1、分布试验

分布试验使用实施例2中的平邑甜茶，在模拟日光的环境条件下，在霍格兰溶液中添加300mg/L的氮掺杂碳量子点，培养2天后，利用高分辨率激光共聚焦显微镜拍摄氮掺杂碳量子点在平邑甜茶幼苗中的分布情况，结果如图2所示。

基于制备的氮掺杂碳量子点具有紫外光激发、蓝光发射的光学特性，添加氮掺杂碳量子点水培培养2d后，使用超高分辨率激光共聚焦显微镜拍摄了平邑甜茶根、茎、叶各组织中的荧光情况。从图像(图2)中可以看出，在平邑甜茶根、茎、叶中均存在强烈的蓝色荧光，这表明该氮掺杂碳量子点能够从根部被吸收，向上运输，最终到达叶片。

2、促进平邑甜茶生物量积累试验

生长发育促进试验使用实施例2中的平邑甜茶，在模拟日光的环境条件下，在霍格兰溶液中添加300mg/L的氮掺杂碳量子点，培养30天。

氮掺杂碳量子点处理平邑甜茶后对照组与处理组的表型图，如图3所示。从图像(图3)中可以发现，经氮掺杂碳量子点处理30d后，平邑甜茶的叶面积、株高以及根长都更优，处理组与对照组相比，表现出长势更好的表型。

用电子天平称量植物鲜重，数据统计发现，对照组的鲜重约为0.3928g，而处理组的约为0.4989g，相较于对照组，处理组的鲜重增加了27.01％(如图4所示)。

用游标卡尺测量植物株高，数据统计发现，对照组的株高约为8.38cm，而处理组的约为10.63cm，相较于对照组，处理组的株高增加了26.85％(如图5所示)。

用分析扫描仪测定了植物根长，数据统计发现，对照组的总根长约为51.42cm，而处理组的约为62.08cm，相较于对照组，处理组的根长增加了20.73％(如图6所示)。

用Image J软件测定植物叶片的叶面积，数据统计发现，对照组的叶面积约为12.38cm²，而处理组的约为15.42cm²，相较于对照组，处理组的叶面积增加了24.56％(如图7所示)。

用苯酚法测定植物地上部的可溶性糖含量，数据统计发现，对照组的可溶性糖含量约为6.43mg/g，而处理组的约为8.19mg/g，相较于对照组，处理组的可溶性糖含量增加了27.37％(如图8所示)。

3、提高平邑甜茶光合效率试验

本光合活性提高试验使用实施例2中的平邑甜茶，在模拟日光的环境条件下，在霍格兰溶液中添加300mg/L的氮掺杂碳量子点，培养30天后，用CIRAS-3便携式光合仪测定净光合速率，结果如图9所示。

数据统计发现，对照组的净光合速率约为8.433μmol·m^-2·s^-1，而处理组的净光合速率约为9.633μmol·m^-2·s^-1，相较于对照组，处理组的净光合速率显著提高，提高了14.23％。

4、提高苹果大树光合效率试验

本光合活性提高试验使用实施例3中的苹果大树，每周喷施一次氮掺杂碳量子点溶液，待花后60天，用CIRAS-3便携式光合仪测定叶片净光合速率，结果如图10所示。

数据统计发现，对照组的净光合速率约为8.533μmol·m^-2·s^-1，而处理组的净光合速率约为12.200μmol·m^-2·s^-1，相对于对照组，处理组苹果大树叶片的净光合速率增加了42.97％。

5、提高苹果果实可溶性固形物含量试验

本可溶性固形物含量提高试验使用实施例3中的苹果大树果实，果实成熟后取苹果果实，在相同位置取材，使用TD-45数显糖度计测定对照组与处理组的可溶性固形物含量，结果如图11所示。

数据统计发现，对照组的可溶性固形物含量约为14.883％，而处理组的可溶性固形物含量约为17.422％，相对于对照组，处理组苹果果实中的可溶性固形物含量提高了17.06％。

综上所示，本发明提供的方法利用氮掺杂碳量子点处理，能够有效提高植物的净光合速率、鲜重、株高、根长、叶面积及可溶性糖含量，提高植物光合活性和生物量积累，促进植株生长，进而提高果实品质。

需要注意的是，本发明中的照片类图片的原图为彩图，如有需求，可提供原图作为证据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种利用氮掺杂功能化碳量子点提高植物光合效率和果实品质的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的植物采用水培模式或土培模式培养，植物的培养过程中使用常规营养液，并在常规营养液中加入10～500mg/L的氮掺杂碳量子点。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的常规营养液为霍格兰氏营养液。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将氮掺杂碳量子点溶液均匀喷施在果树上，所述氮掺杂碳量子点溶液的浓度为0.1～10g/L。

5.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于，所述的氮掺杂碳量子点的制备方法包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述柠檬酸的浓度为10～100g/L，所述柠檬酸的摩尔量与聚乙烯亚胺中氮元素的摩尔量之比为1：(0.1～10)。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述水热反应的反应温度为160～200℃，反应时间为2～12h。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述柠檬酸的浓度为50g/L，所述水热反应的反应温度为200℃，反应时间为4h。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的聚乙烯亚胺为直链状或分支型的聚乙烯亚胺。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的聚乙烯亚胺为乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、五乙烯六胺中的一种。