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碳量子点（Carbon Nanodots,C-dots）是近年来出现的又一种新型荧光纳米材料。与传统半导体量子点相比,C-dots具有良好的水溶性、抗光漂白性、易于功能化和低生物毒性等多个优异性能,这使C-dots迅速成为生物成像领域的研究热点。因此,对C-dots的生物学毒性评估具有重要的现实意义。目前,关于C-dots在生物体内的毒性和吸收的研究多集中于动物,而关于C-dots在植物的毒性和吸收研究很少,严重限制了C-dots在植物细胞成像领域的应用。本研究选择了玉米和拟南芥,通过平板水培、沙培和固体培养基培养三种方式研究了C-dots对植物种子发芽和幼苗生长的影响。利用植物生理学、代谢组学和转录组学等多种手段,从生理水平和分子水平探讨了C-dots植物毒性产生的原因。另外,利用荧光显微镜观察了C-dots在植物中的吸收和运输情况,以期为C-dots应用于植物细胞成像奠定科学基础。本论文主要研究方法及实验结果如下:1.荧光碳量子点制备与表征本实验中利用微波法成功制备C-dots,并且利用多种方式对纯化后的C-dots进行了表征。首先,利用高分辨透射电子显微镜（HRTEM）观察了C-dots的形貌,发现制备的碳量子点为3nm左右的近似球形颗粒;利用Zeta sizer Nano ZS纳米粒度仪测定发现C-dots带有负电;利用紫外可见光谱分析发现C-dots在270、340及405 nm下有吸收峰;利用荧光光谱测定C-dots发现其具有激发依赖性荧光;利用拉曼光谱发现C-dots分别在1380 cm-1和1600 cm-1处存在碳材料的典型峰;利用傅里叶变换红外光光谱测定发现C-dots表面有大量的羟基、氨基、羧基和亚甲基。利用荧光光谱仪检测,发现C-dots在培养介质中能够保持稳定。同时,通过灭菌前后C-dots紫外可见吸收光谱的变化,证实高温灭菌对C-dots没有影响。2.碳量子点在植物中吸收和转运研究将制备和纯化的C-dots分别处理玉米和拟南芥,利用荧光显微镜观察发现C-dots可以大量进入玉米根尖脱落细胞。利用活体切片法对C-dots处理后玉米根尖、根成熟区和叶片分别进行活体压片和切片,荧光显微镜观察发现C-dots可以穿透表皮细胞进入到根部皮层细胞和维管束中,同时,C-dots还可以通过根部运输到叶中,实验中还发现C-dots可以从玉米叶片边缘和叶尖分泌出来。荧光显微镜也证实C-dots可以通过拟南芥根部被吸收,并进一步运输到拟南芥叶片中。3.碳量子点在植物中毒性效应研究实验发现低浓度碳量子点对玉米种子萌发和幼苗生长均没有显著影响,但当浓度达到2000 mg/L时,会抑制玉米种子萌发过程中根的伸长;当浓度高于1000mg/L时,就开始显著抑制玉米幼苗根和叶的生长。将62.5-1000 mg/L C-dots处理拟南芥后发现,当C-dots浓度高于125 mg/L时,就开始显著抑制拟南芥幼苗的生长。活性炭对玉米和拟南芥幼苗的生长均没有毒性。4.碳量子点在植物中毒性机理探究为了探究C-dots在这两个植物中引起毒性的机制,实验测定了玉米和拟南芥中多种抗氧化方面的生理指标,结果发现2000 mg/L C-dots处理后植物根中H2O2、丙二醛含量不同程度上升,且抗氧化酶的活性也不同程度上调。测定C-dots处理后拟南芥叶片中光合色素含量发现,叶绿素a和叶绿素b的含量有所下降,而类胡萝卜素含量有所升高。同时,实验中发现C-dots处理后,多个与光合作用相关酶活性降低。利用GC-MS对C-dots处理组及对照组的拟南芥根和叶中代谢物分别进行检测,在拟南芥根和叶中分别鉴定出48和71种代谢物,分析发现C-dots处理后拟南芥根中升高的代谢物主要为糖类,而叶中升高的代谢物主要为氨基酸。PCA分析表明,低浓度和高浓度C-dots处理后拟南芥根和叶中代谢物与对照组代谢物能完全区分开。利用RNA-seq检测了C-dots处理后拟南芥根和叶中基因的表达改变情况,发现在1000 mg/L C-dots处理后拟南芥根和叶中大量的基因表达改变。利用agriGO对表达上调和下调的基因进行GO分析,发现C-dots处理后表达上调的基因主要富集到了对刺激的响应和次生代谢过程、饥饿响应、糖苷代谢、跨膜运输和氧化还原酶和内质网腔等通路;而下调基因主要富集到了光合作用和前体物代谢的和能量的生成、叶绿素结合和光系统等通路。