综述：提升作物的抗逆性：碳点在克服非生物胁迫因素中的作用

《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：Enhancing crop resilience, the role of carbon dots in overcoming abiotic stressors

　　摘要
干旱、盐碱、高温、低温、洪水和重金属毒性等非生物胁迫会通过干扰光合作用、养分吸收、水分平衡和细胞稳态来大幅降低作物产量。因此，全球粮食安全依赖于开发可持续的方法来提高作物的抗逆性。由于其良好的生物相容性、可定制的表面化学性质、优异的光学性能、低毒性和环保性，碳点（CDs）这一类碳基纳米材料已成为农业应用的潜在候选者。本文全面总结了目前利用碳点增强植物抵御非生物胁迫能力的最新进展。其机制包括改善光能捕获和电子传输、保护叶绿体完整性、调节活性氧（ROS）平衡、激活抗氧化防御系统、提高养分吸收、维持离子和水分平衡以及调控 stress 响应基因表达等。此外，该综述还比较了碳点在不同非生物胁迫下的通用和特定胁迫机制，并讨论了粒子大小、表面功能化和杂原子掺杂等物理化学性质对其生物性能的影响。文中还探讨了绿色合成技术、生物质衍生前体、可扩展的生产方法及农业应用方面的最新突破。同时，对田间验证、环境归趋性、生态毒性安全性、生物累积和监管方面的挑战进行了深入分析，以提供全面的观点。总体而言，本文为碳点作为下一代纳米材料在安全可持续地应用于发展气候适应性和可持续农业系统方面提供了最新的机制见解和未来研究重点。

引言
非生物胁迫是全球农业产量的主要威胁，这需要新的技术来提高作物在恶劣环境中的抗逆性（Khalid等人，2023年）。随着全球饥饿问题的再次加剧，联合国粮食及农业组织（FAO）对世界粮食生产发布了悲观预测。根据FAO的数据，如果到2050年全球人口达到90亿，粮食产量必须增加70%；而在贫困国家，粮食产量甚至需要翻倍（联合国，2019年）。不利的土地条件会导致植物在生长过程中受到生物和非生物胁迫的影响，从而影响产量。超过90%的全球土地面临非生物胁迫，包括干旱、高盐度、极端温度和重金属毒性（Al-Khayri等人，2023年）。研究表明，非生物胁迫可能导致多种经济作物的产量减少多达70%，并且这些作物的实际产量仅达到其遗传潜力的30%（Fahad等人，2017年）。当超过胁迫阈值时，植物会触发生理、生化、形态和分子层面的响应，这些机制可能促成新的生理状态并恢复植物稳态（Jogaiah等人，2013年）。这些变化可能发生在根部、发芽率、生长过程或茎结构中，从而导致植物的适应性反应。虽然农药、化肥、植物生长调节剂和土壤改良剂等农用化学品常用于促进植物生长和产量提升，但它们的无效和广泛使用对环境造成了危害（Adil和Quraishi，2023年；Apostolova，2023年）。纳米技术几乎改变了科学界的各个领域，其在农业中的应用有望为现有流程带来新的见解。纳米材料可分为四类：无机材料、碳基材料、有机材料和复合材料（Nawaz等人，2023年）。碳点（CDs）是一类具有荧光的碳纳米材料，其表面化学和物理化学性质适合农业应用（Ragazzon等人，2021年）。由于其结构特点，碳点具备独特的光学和电学性能，如可调的荧光量子产率（未掺杂的碳点通常在蓝-绿色范围内最大，通过氮/硫掺杂或增加π-共轭可产生红/近红外发射）、高稳定性和良好的水溶性（Zeng等人，2021年）。碳点已用于增强光合作用（Kou等人，2021年）、减轻紫外线损伤（L. Zhang等人，2018b；Wang等人，2022a；Wang等人，2022b；Wang等人，2022c；Wang等人，2022d）以及缓解小麦种子的重金属毒性（L. Xiao等人，2019年），因此其作为非生物胁迫耐受剂的潜力值得推崇。由于其优异的生物相容性、低毒性、高水溶性、小粒径、大比表面积、可调的表面官能团和显著的光致发光特性，碳点成为提升农业可持续性的理想选择。尽管已有许多研究讨论了碳点在农业中的应用，但专门探讨碳点如何增强作物对多重非生物胁迫的抗逆性的机制的综述仍相对较少。本文通过整合碳点在多种非生物胁迫条件下的生理、生物化学和分子响应的最新进展，指出了未来农业可持续研究的方向。

非生物胁迫对作物植物的影响
植物的主要生理过程（如光合作用、养分吸收和水分调节）都会受到非生物胁迫的影响，导致生长受阻和产量下降。植物在应对胁迫时会产生过多的活性氧（ROS），这些活性氧会损害脂质、蛋白质和DNA等重要细胞成分，进一步影响代谢和发育。此外，非生物胁迫还会改变酶活性。

新近进展
碳点（CDs）是一种由碳化碳核心与有机官能团组成的纳米材料，具有优异的光学性能（如可调的光致发光、高光稳定性）和良好的生物相容性。它们在纳米碳领域备受关注，因其广泛应用于各种技术场景（Yu等人，2020年）。激光消融法是一种从碳基底去除物质的高能技术，可调节碳点的大小、形态和表面化学性质，但成本较高且产量较低。水热合成法简单环保，可控制碳点的大小和性质。碳点的合成工艺对其物理化学特性、生物性能和实际应用性至关重要，因此在合成过程中应优先考虑可扩展性、成本效益、前体可用性、重复性和环境可持续性。

碳点在农业中的应用
碳点通过多种途径帮助植物减轻非生物胁迫：它们可增强光合作用效率（通过改善光吸收和重新发射光能）、保护叶绿体和光系统结构、促进电子传输和ATP/NADPH生成、调节卡尔文循环和碳同化过程、缓解代谢紊乱等。碳点的这些特性使其成为改善作物抗逆性的理想纳米材料。实验表明，碳点能有效减少非生物胁迫对植物的影响，例如通过清除活性氧、保护细胞成分和促进光合作用。虽然已有许多研究讨论了碳点在农业中的应用，但专门探讨其增强作物抗逆机制的综述仍然有限。本文通过整合最新研究成果，为农业可持续性提供了明确的未来研究方向。

结论
总体而言，碳点作为一种下一代纳米材料，在提高作物抗逆性和可持续农业系统方面具有巨大潜力。其独特的物理化学性质为改善光合作用效率、养分吸收、活性氧平衡和 stress 响应基因表达提供了基础，有助于实现农业的可持续发展。未引用的参考文献
Aslam等人，2022年
Gogoi等人，2023年
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Zhu等人，2019年

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢
作者（J.K和A.R）感谢印度尼西亚Cibinong的BRIN基因工程研究中心（位于KST Soekarno Jl Raya Bogor Km 46）。

出版同意
本手稿尚未在其他地方发表，也未被考虑在其他出版物中发表。所有作者均默许本手稿的出版。

伦理声明
不适用。本研究不涉及人类或动物。

资金情况
不适用。

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