CIRAS-4]基于配位聚合物纳米片的光转换膜促进小白菜的转录上调与碳固定

　　在全球碳中和目标推进与设施园艺绿色发展的双重需求下，如何提升植物光合效率、强化生物固碳能力，成为农业科研与产业升级的核心课题。太阳光中紫外光易抑制植物生长，而光合效率最高的红光占比偏低，传统无机光转换剂又存在与有机基质相容性差的痛点。镧系配位聚合物因优异的光物理特性成为理想替代材料，但此前尚无将其应用于植物生长调控的实际研究。

　　近期，沈阳农业大学王维斌老师团队在《Crystal Growth & Design》期刊上发表了题为Upregulated Transcription and Carbon Fixation in Brassica Rapa Var. Chinensis via Light Conversion Films Based on Coordination Polymer Nanosheets的研究论文，首次将铕基配位聚合物纳米片（Eu-CPNs）作为光转换剂，制备出新型光转换膜（LCF），成功将紫外光“变废为宝”转化为红光，显著促进了小白菜的生长与碳固定。

　　图1 铕基配位聚合物纳米片分散液的丁达尔效应作者首先通过超声剥离法将铕基配位聚合物（Eu-CP）制备成二维纳米片（Eu-CPNs），并将其均匀分散于热塑性聚氨酯（TPU）基材中，形成兼具高透明性与优异光转换性能的薄膜。与普通对照膜相比，LCF在紫外光激发下发射出强烈的红光（图2），其在600-700 nm红光区域的光量子通量密度显著提升，而紫外区域则明显下降，证明该膜成功实现了“紫外光→红光”的高效光谱转换（图3）。此外，LCF还表现出更强的机械强度、疏水性与光热融冰性能，为冬季农业生产中的实际应用提供了良好基础。

　　图2 (a)光转换薄膜在日光下（上）、紫外光下（下）的外观图；(b)光转换薄膜的三维激发-发射矩阵荧光光谱；(c)空白对照膜；(d)光转换薄膜横截面的扫描电子显微镜图像

　　图3 (a) 对照膜（CK）与光转换膜（LCF）的透射光谱；(b) 对照膜与光转换膜的紫外-可见吸收光谱；(c) 对照膜与光转换膜下测得的光质；(d) 对照膜与光转换膜在紫外区、可见光区和红外区的光子通量密度（PFD）

　　为了量化LCF对植物光合作用的实际影响，研究团队使用CIRAS-4便携式光合作用测定系统（PP Systems），对小白菜的功能叶片进行了净光合速率测量，并在30天的生长期内持续监测其CO2同化量。结果显示，LCF处理下的小白菜虽然瞬时净光合速率提升不显著，但其日均CO2同化量较对照提升了77.9%，地上部鲜重和总干重分别增加了92.0%和79.7%（图4）。

　　图4 (a) 小白菜幼苗分别在第10、20 和30天的生长情况；(b) 鲜重；(c) 干重；(d) 功能叶的净光合速率

　　通过转录组分析，作者进一步揭示了LCF促进光合作用的分子机制：韦恩图显示LCF处理显著激活了小白菜的基因转录（图5a）；火山图共筛选出10405个显著差异表达基因，其中6196个显著上调、4209个显著下调，基因上调是核心调控趋势（图5b）；KEGG与GO富集分析进一步证实，上调基因主要集中在光合作用、碳代谢、光合生物碳固定等核心通路，全面激活了光合相关的细胞结构、分子功能与生物过程，从转录组层面证实LCF通过上调光合与碳固定相关核心基因，从而提升了小白菜的光合固碳能力（图5c、5d）。

　　图5 空白对照膜（CK）与光转换膜（LCF）培育下小白菜幼苗的转录组分析

　　综上所述，作者首次制备了基于铕基配位聚合物纳米片（Eu-CPNs）的新型光转换膜（LCF），该膜实现了紫外光→红光的高效光谱转换，同时兼具优异的机械性能与环境适配性，解决了传统光转换剂与有机基材相容性差的痛点。将该薄膜应用于小白菜栽培后，显著上调了光合作用、碳代谢相关基因的转录水平，大幅提升了小白菜的CO2同化量与生物量，实现了植物光合效率与生物固碳能力的双重提升。