揭示叶面喷施碳点后玉米体内的分布、代谢和分解机制及其对土壤环境的影响

相关成果以“Unraveling the distribution, metabolization, and catabolism of foliar sprayed carbon dots in maize and effect on soil environment”为题发表在Journal of Agricultural and Food Chemistry上，博士生雷春丽为第一作者，王传洗研究员为论文的通讯作者。

与对照相比，喷施¹³C-CDs后玉米地上部分干重和鲜重分别提高了19.03%和47.08% (图1 (a-c))。根分别增加了37.90%和85.95% (图1 (d) (e))。连续喷施¹³C-CDs后，玉米的根长、平均根径、根尖数和根表面积分别增加了46.23%、114.95%、38.47%和84.21% (图S6 (a) (d-f))。玉米根系的生长提高了玉米对水分和养分的吸收能力。

与对照相比，¹³C-CDs处理玉米叶片气孔导度提高32.84%，蒸腾速率提高26.76%，植株净光合速率提高33.46%，电子传递速率提高13.23% (图1 (f) (g))。植物气孔吸收CO₂释放O₂,  ¹³C-CDs加速蒸腾作用，导致叶片水分流失速度加快，从而降低叶片温度，进一步促进水分和无机盐从根部向上运输。更准确地说，¹³C-CDs组Fv/Fm和Rfd分别增加了22.87%和105.46% (图1 (h) (i))。Fv/Fm水平的提高证实了玉米叶片光化学反应中心 (PSII) 在全开状态下的最大光能转换效率提高，叶片捕获和转换光能的能力增强。叶片光合作用增强后Rfd变化显著。因此，^13CC-CDs之所以能够促进植物光合作用，是因为¹³C-CDs能够将不可见光转化为可见光，而且¹³C-CDs具有更强的电子传递能力，有助于加速植物叶绿体的光合作用过程，最终提高玉米的光合作用。

连续喷施¹³C-CDs 7 天后，玉米叶片、茎和根的碳丰度较对照显著提高了72.02%、14.55%和5.96% (图1 (j))。喷施¹³C-CDs后，植株中C信号最高的组织是叶片，其次是茎，最后是根。证实¹³C-CDs主要参与叶片组织的相关生理活动。这些结果证实了¹³C-CDs可以被玉米叶片内化和吸收，并在植株内迁移。¹³C-NMR结果进一步探讨了¹³C-CDs在体内转化为玉米的过程。叶、茎、根光谱均出现葡萄糖摄取峰和11个蔗糖共振峰，表明¹³C-CDs进入植物后参与糖代谢过程 (图2 (a) (b))。这一过程将为玉米的代谢过程提供能量和物质。进一步分解核磁共振光谱，得到叶片中代谢物信号如下:柠檬酸 (175.78 ppm，[1’-C] Cit)，乙二醛酶 (72.85 ppm， [9-C] Gly) (图1 (c) (d))。丙酮酸代谢作为一种中心代谢途径，被认为是通过氨基转化形成新的氨基酸，实现糖到蛋白质的相互转化。因此，¹³C-CDs参与了玉米糖酵解过程。研究表明，单壁碳纳米管 (SWCNTs) 和GO参与了丙酮酸中心途径发酵生成丁酸盐的过程。

同样，¹³C标记的甲酸对蚕豆根的处理表明，甲酸通过乙醛酸途径和TCA过程分解代谢。此外，还分析了更多的代谢物信号 (谷氨酸(179.62 ppm， [COOH-C]Glu)、脱落酸 (23.30 ppm， [13-C] Abs)、绿原酸 (72.63 ppm， [1-C] Chl) 和香豆酸 (160.27 ppm， [4-C] Cou))，表明所产生的氨基酸很可能进一步参与苯丙氨酸的氨基酸代谢，并在较小的分子水平上参与玉米的生物合成 (图2 (e-h))。在茎 ([1’-C] Cit、[9-C] Gly、[COOH-C] Glu) 和根([9-C] Gly) 中也观察到一致的特征物质，这更准确地证实了¹³C-CDs参与并利用于玉米各组织的代谢转化过程。综上所述，内化到玉米幼苗中的¹³C-CDs在体内被转化并参与葡萄糖、蔗糖、柠檬酸、乙醛酸和绿原酸的合成，并增强了玉米幼苗中TCA循环代谢和苯丙氨酸代谢途径。

与CK相比，¹³C-CDs组在12 h时NOX酶活性显著提高了68.29%，基因上调了1.54倍 (图3 (a))。DPI处理后，NOX酶活性显著降低36.15%，基因表达仅上调0.87倍 (图3 (a) (e))。然而，添加¹³C-CDs逆转了DPI抑制导致的酶活性下降和基因表达下调的结果。此外，O₂·^-的荧光定量也产生了相同的一致现象。¹³C-CDs诱导的细胞O₂·^-荧光强度比CK增加了1.18倍。总的来说，¹³C-CDs的掺入刺激了细胞中NOX的表达和O₂·^-的产生。与CK相比，¹³C-CDs处理导致细胞SOD酶活性显著增加13.31% (图3 (b))。此外，¹³C-CDs处理使细胞内铁和铁含量分别增加了82.62%和97.22%(图3 (c) (d))。添加¹³C-CDs分别上调csd3和msd1b /c的基因表达2.48和2.45倍 (图3 (f)和(g))。CSD3和MSD 1b/c是Cu-SOD和Mn-SOD酶的合成基因，在氧化还原过程中催化O₂·^-歧化生成O₂和H₂O₂起重要作用。这与Elgrabli等人的发现一致，即¹³C-CDs引发细胞氧化应激，促进相关酶反应的发展。Fer1基因表达上调2.24倍 (图3 (h))。先前的研究表明，SWCNTs的降解主要依赖于活化酶释放的HO和Fe形成的Fenton反应。因此，¹³C-CDs的分解代谢可归因于Fenton反应驱动ROS的产生，ROS攻击并破坏¹³C-CDs结构并形成缺陷位点。因此，在细胞中添加¹³C-CDs诱导了由NOX酶介导的细胞氧化应激反应，产生大量的O₂·^-，并通过SOD转化为过氧化氢，以及铁离子驱动的细胞内Fenton反应，从而导致¹³C-CDs的分解代谢和利用，促进细胞活力。

OPLS-DA显示，连续喷施¹³C-CDs  7天后，植株叶、茎、根代谢物变化显著(图S9 (a-c)， t检验，p < 0.05, log (FC) > 1或log (FC) < -1)。火山图显示，喷施¹³C-CDs后，共有25种叶片代谢物显著上调，49种代谢物显著下调。同样，茎中共有34种代谢物显著上调，53种代谢物显著下调，根中共有22种代谢物显著上调，49种代谢物显著下调。玉米叶、茎、根中脂质及类脂质分子和有机酸含量分别占总代谢物的31.19%、32.21%和34.35%。葡萄糖和蔗糖的表达量分别是CK组的2.02倍和1.69倍。葡萄糖和蔗糖进一步分解为丙酮酸，参与TCA代谢循环过程。据报道，葡萄糖和蔗糖不仅为植物的生长发育提供能量，还与其他植物信号分子相互作用，形成信号相互作用网络系统。因此，¹³C-CDs促进了叶片中葡萄糖和蔗糖的积累。glyoxalase的表达增加了2.15倍，进一步表明¹³C-CDs促进了TCA循环，促进脂肪酸氧化以提供能量，完成脂肪到糖的转化。此外，果糖和G-6-P的表达量分别是对照的1.97倍和2.62倍 (图4)。果糖和G6P的显著增加证实了¹³C-CDs促进了玉米的糖酵解过程，为玉米幼苗的生长提供了更多的能量。此外，与CK相比，¹³C-CDs处理后玉米苯丙氨酸、香豆素、香豆酸和绿原酸的含量分别提高了1.67倍、2.85倍、2.51倍和1.97倍(图4)。¹³C-CDs作为苯丙烷代谢途径的重要产物，促进了相关蛋白质和植物激素的合成，提高了植物的光合和呼吸能力。提高了植物对生物和非生物胁迫的适应性和抗性，最终促进了玉米的生长发育。因此，植物体内¹³C-CDs的转化过程极有可能参与玉米的代谢循环，最终对植物生长产生积极影响。

此外，随着时间的推移，¹³C-CDs组中Chloroflexi、Deinococcota和Cyanobacteria的丰度呈增加趋势，7天后分别增加了226.26%、179.14%和481.56% (图5 (d) (e))。然而，施用¹³C-CDs后，总体微生物丰度水平没有明显变化。因此，¹³C-CDs没有引起土壤理化性质的显著变化，土壤微生物总体丰度也没有显著变化，只是优化了群落内子囊菌门的优势菌群。此外，与对照相比，添加¹³C-CDs显著提高了Lumbricina和Porcellio的C含量，分别提高了313.23%和803.15%。这一结果有效地证实了落入土壤中的¹³C-CDs有机会被土壤动物摄入。先前的研究观察到羧酸量子点可以从Pseudokirchneriella subcapitata迁移到Ceriodaphnia dubia。许多其他纳米材料的生物放大已经被广泛报道。因此，进入土壤中的¹³C-CDs仍可被土壤动物摄入，未来的研究应关注¹³C-CDs在土壤食物链中的进一步迁移和富集。

本研究证实了叶面喷施C-CDs能够改善植物光合作用，促进植物生长。¹³C-CDs主要参与植物体内葡萄糖、蔗糖、柠檬酸、乙醛酸和绿原酸的合成，改善了玉米体内TCA循环代谢途径和苯丙氨酸代谢途径，促进了柠檬酸、富马酸、苯丙氨酸和香豆酸等代谢物的合成。此外，¹³C-CDs在植物细胞中主要通过氧化应激过程进行分解代谢。NOX酶产生O₂·^-，由SOD转化为H₂O₂, Fe驱动细胞Fenton反应，导致细胞利用¹³C-CDs。此外，¹³C-CDs对土壤环境的原始平衡没有明显的改变。相比之下，土壤动物中C信号的升高表明，沿土壤食物链的¹³C-CDs存在摄食高营养级生物的潜在风险。本研究为系统揭示植物中CDs的命运及其对土壤健康的潜在影响提供了新的数据和理论支持，为CDs在农业应用中的潜在优势提供了更全面的分析和支持。

*本文为课题组供稿。