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中国是世界上最主要的产竹国。竹材相比其他生物质材料具有一次成林、储量庞大、生长速度快且经济效益高等优点。然而，竹材利用率低，竹产品附加价值不高[1−3]。竹材砍伐产生的竹梢、竹节、竹枝和竹屑等采伐剩余物以及加工过程中产生的大量竹节隔、竹黄等加工废弃物均未得到合理利用，一般被遗弃在山林或作为普通燃料使用，不仅造成严重的资源浪费，还对环境产生了严重污染[4−6]。因此，高效合理利用竹材加工废弃物，对提高竹材利用率以及经济效益具有一定的价值。竹节隔核心成分为纤维素、半纤维素、木质素，富含碳元素，是制备荧光碳量子点(carbon quantum dots, CQDs)的绿色可持续碳源，无需添加任何化学试剂修饰；竹节隔本身含有的氮、硅元素可通过水热碳化自掺杂到CQDs中，从而提高量子产率和光学性能。竹节隔的高效、绿色利用对竹产业可持续、高质量发展具有重要意义。
CQDs是一种尺寸小于10 nm的新型零维碳纳米材料[7]，由于其稳定的光学性能、良好的生物相容性、优异的水溶性、低细胞毒性等诸多特性[8−10]，在传感[11]、生物成像[12]、光催化[13]、荧光防伪[14]等领域具有广泛的应用前景。根据工艺条件的不同，CQDs的制备方法通常分为2类：自上而下和自下而上[15]。自上而下制备方法，是通过电弧放电、化学氧化、激光烧蚀等将大尺寸的碳靶剥离或切割成小尺寸的CQDs[16]。但存在设备昂贵、合成条件苛刻等缺陷。自下而上制备方法主要利用微波辅助、水热等将有机小分子前驱体碳化制备得到CQDs[17]，在调控CQDs的形状和尺寸等方面具有显著优势。其中，水热法制备CQDs的前驱体来源广泛，但苯二胺、甲酰胺等常用有机化工原料成本昂贵，且部分工艺处理过程繁复，具有一定的毒性，限制了CQDs的应用领域。相比之下，生物质材料具有可再生、成本低廉、环境友好、来源广泛等优点[18−20]。以生物质碳源制备CQDs已成为当前研究热点。AMER等[21]以马齿苋Portulaca oleracea叶为原料，采用一步水热法150 ℃碳化4 h，经过离心、透析等处理后得到绿色荧光碳量子点，并用石英晶体微天平(QCM)检测甲醛等有害气体。近年来，以稻Oryza sativa壳[22]、银杏Ginkgo biloba叶[23]、花生 Arachis hypogaea壳[24]、青稞Hordeum vulgare var. coeleste [25]、枸杞Lycium chinense[26]等生物质材料制备碳量子点，并进一步应用于生物成像、传感器、防伪等诸多领域。目前，以生物质材料为碳源前驱体制备出的CQDs存在荧光颜色单一、荧光量子产率低等问题，仍需进一步探究和优化。
本研究以竹材加工废弃物竹节隔为碳源，采用一步水热法，绿色制备高荧光量子产率的竹节隔CQDs，并探究其在荧光防伪领域应用的可能性，以期提高废弃生物质材料价值，实现竹材加工废弃物的高效利用。
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3~4年生毛竹Phyllostachys edulis竹节隔通过粉碎、过筛得到100目竹节隔粉末；无水乙醇(分析纯)；普通定性滤纸、0.22 μm微孔滤膜、500 Da透析袋购于南京化学试剂有限公司；试验中用于合成和透析的水溶液均为去离子水。
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分别称取1.0、1.5、2.0、2.5 g的竹节隔粉末分散于25 mL去离子水中，混合均匀后移入50 mL聚四氟乙烯内衬的反应釜中，180 ℃反应10 h。反应结束，待聚四氟乙烯反应釜冷却至室温后取出内胆，用普通定性滤纸进行过滤，之后将CQDs的滤液放入高速冷冻离心机，10 000 r·min−1离心10 min。离心结束后，用0.22 μm微孔膜过滤上清液，去除聚集颗粒使CQDs纯化。采用500 Da透析袋进行48 h透析，去除未反应的小分子，冷冻后放入真空冷冻干燥机进行干燥备用。竹节隔CQDs制备流程见图1。
图 1 竹节隔碳量子点制备流程图
Figure 1. Flow chart for the preparation of bamboo spacer carbon quantum dots
取0.4 mg CQDs粉末溶于4 mL乙醇溶液中，配置出质量浓度为0.1 g·L−1的CQDs样品溶液，通过瞬态/稳态荧光光谱仪测定：当竹节隔粉末为2 g时，绝对荧光量子产率最高，因此，表征与分析的对象均为竹节隔粉末2 g、去离子水25 mL制备的CQDs。
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采用透射电子显微镜(JEM-2100F，JEOL公司)和高分辨率透射电子显微镜(JEM-2100UHR， JEOL公司)表征CQDs的形貌与晶格间距；采用X射线衍射(XRD Ultima IV)表征CQDs的晶体性质，测试范围为10°~80°；采用紫外可见光光度计(Lambda950，PE公司)测定CQDs的紫外吸收光谱；采用瞬态/稳态荧光光谱仪(FluoroMax-4，HORIBA公司)测试CQDs最佳激发波长，检测其荧光性能；通过双指数模型计算荧光寿命，并对荧光衰减寿命曲线进行拟合：
$$ {\tau }_{ave}=\frac{{A}_{1}{\tau }_{1}^{2}+{A}_{2}{\tau }_{2}^{2}}{{A}_{1}{\tau }_{1}+{A}_{2}{\tau }_{2}} 。 $$ 其中：$ {\tau }_{\mathrm{a}\mathrm{v}\mathrm{e}} $为平均荧光寿命, $ {A}_{1} $、$ {A}_{2} $为振幅，$ {\tau }_{1} $、$ {\tau }_{2} $为衰减时间。同时，在350 nm激发波长下测试CQDs的绝对荧光量子产率；采用红外光谱仪(VERTEX80V，Bruker公司)表征CQDs的表面官能团状态，波数为500~
4000 cm−1；采用X射线光电子能谱仪(AXIS-Ultra DLD，Shimadzu公司)测定CQDs的元素组成及化学结构。 -
由图2A可以看到：所制备的CQDs呈近圆形颗粒，具有良好的分散性。由图2B高分辨率透射电镜可以看出：CQDs晶格间距为0.21 nm，对应石墨(100)晶面间距[27]。通过ImageJ软件测算可知：CQDs粒径主要分布范围为0~1.6 nm，平均粒径尺寸为0.84 nm (图2C)。CQDs的XRD图谱如图2D：在23.9°出现1个宽衍射峰，属于无定形碳结构的特征峰，对应石墨的(002)晶面[28]，宽衍射峰的出现是因为合成的CQDs尺寸较小。分析结果表明：制备的竹节隔CQDs，不仅具有结晶度良好的碳核，也具有无定形表面基团。同时，尺寸较小的CQDs会影响其光致发光性能。在水热过程中，由于CQDs的尺寸分布不一，多重能间隙共同存在，导致荧光发射为激发依赖型。
图 2 CQDs的透射电镜成像图和XRD图
Figure 2. Transmission electron microscope images and XRD spectra of CQDs
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通过红外光谱仪对CQDs的表面官能团进行分析(图3)。在3 423 cm−1处的吸收峰，是由O−H伸缩振动产生的，位于2 927 cm−1处的吸收峰为C−H伸缩振动[29]，1 623、
1507 、1413 cm−1处的吸收峰分别为C=O伸缩振动、C=C伸缩振动、C−N拉伸振动[30]，表明通过水热反应，氮元素已掺杂到CQDs的碳骨架中。分析结果表明：CQDs表面含有丰富的亲水基团，如羟基、羰基等，故具备优异的水溶性和稳定性[31]。制备的CQDs能够很好地分散于水溶液中，为后续改性提供便利。
图 3 CQDs的红外光谱图
Figure 3. Infrared spectrogram of CQDs
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采用X射线光电子能谱仪进一步检测并分析CQDs的元素组成(图4A)。在284.8、400.0、531.9 eV处显示3个信号峰位，分别对应C1s、N1s、O1s的特征峰，表明制备的CQDs含有碳、氮、氧元素。由元素分析结果可知：碳、氮、氧元素占比依次为67.82%、2.11%、30.07%。CQDs碳元素的C1s经分峰拟合后可以看出(图4B)：在284.3、285.6和288.2 eV处有3个峰位，分别对应C−C、C−O和C=O键。氧元素中的O1s经分峰拟合后(图4C)，在531.4和532.8 eV处出现2个峰位，分别对应C—O键和C=O键[32]。氮元素中的N1s经分峰拟合后(图4D)，在399.3和403.1 eV处的峰位分别对应吡咯氮和N−O键。结果显示：102.0 eV处的信号峰表明CQDs还含有少量的硅元素，证明在其表面成功自掺杂硅元素，可以有效降低CQDs表面的非辐射复合中心数量，减少能量的损失，调节能带结构，促进荧光量子产率的提高。 氮元素的掺杂可以使CQDs表面的官能团种类和数量发生改变，制备的CQDs将具有更加优异的荧光性能。
图 4 CQDs的XPS谱图
Figure 4. XPS photoelectron spectra of CQDs
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如图5所示：CQDs在紫外可见光吸收光谱图中呈现2个吸收峰，分别位于282和320 nm处，分别是由于CQDs内部芳香sp2区域的π-π*电子跃迁和C=O键的n-π*引起的[33]。CQDs溶液在日光条件下呈现淡黄色，在365 nm紫外灯照射下呈现蓝色荧光。表明制备的CQDs溶液具有良好的荧光效果。
图 5 CQDs溶液的紫外吸收光谱图
Figure 5. UV absorption spectra of CQDs solutions
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如图6A所示：CQDs的荧光光谱随着激发波长增加发生移动，表明竹节隔CQDs荧光发射属于激发依赖性。在激发波长为300~400 nm，每次间隔增量为10 nm的激发光下，荧光强度随着激发光波长的增加呈现出先增长后下降的趋势，激发波长依赖性是由于表面杂原子官能团导致的表面缺陷和尺寸差异[34]而产生的。在380 nm激发光条件下，呈现出较强的蓝色荧光发射，最佳荧光发射峰位位于438 nm。
图 6 CQDs的荧光光谱图
Figure 6. Fluorescence spectra of CQDs
通过瞬态/稳态荧光光谱仪测定出CQDs的绝对荧光量子产率为6.85%，与已有报道的CQDs量子产率相当[35]。经双指数模型拟合得到荧光衰减曲线(图6B)。可知CQDs的平均荧光寿命为3.64 ns。CQDs发光是由于表面缺陷为了激发能量，在光照下产生辐射复合而引起的。当CQDs粒径较小时，CQDs会表现出较短的发射波长和较高的荧光强度，与透射电镜的表征结果一致。CQDs的激发依赖性有助于优化在荧光防伪领域的应用效果。
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因为CQDs具有良好的水溶性和荧光特性，所以选择易于挥发的乙醇为介质。将0.1 mg的CQDs粉末溶解于4 mL的乙醇溶液中，在普通定性滤纸上书写。待干燥后，用CQDs乙醇溶液书写的图案在日光下完全不可见(图7A)，用365 nm紫外灯照射呈现出明显的蓝色荧光图案(图7B)。图7表明：竹节隔CQDs在防伪领域具有潜在的应用价值。后续将进一步探究由竹节隔CQDs制备的荧光油墨在家具木制品等不同基质上的荧光防伪性能。
图 7 CQDs的荧光防伪应用图
Figure 7. Fluorescent anti-counterfeiting application chart for CQDs
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以竹节隔粉末为前驱体，通过绿色环保、简单的水热法制备出蓝色荧光CQDs。①通过透射电镜表征分析，竹节隔CQDs呈现规则的球形，平均粒径尺寸为0.84 nm，粒径分布范围为0~1.6 nm，且在水中呈现良好的分散性，无团聚现象。②紫外吸收光谱以及荧光光谱图分析可知：CQDs在激发波长380 nm时呈现出较强的蓝色荧光，最佳荧光发射峰位为438 nm。当竹节隔粉末为2.0 g，去离子水为25 mL时，绝对荧光量子产率为6.85%。③红外光谱和X射线能谱图分析表明：水热法制备的CQDs成功掺杂氮和硅元素，且表面带有丰富的亲水基团，具备良好的水溶性和荧光性能。所制备的竹节隔CQDs溶液在日光下不可见，在365 nm紫外灯照射下呈现蓝色荧光，可作为家具荧光防伪的新材料。
Preparation of bamboo carbon quantum dots and their application in fluorescence anti-counterfeiting
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摘要:
目的 探究竹节隔碳量子点绿色制备方法，提高废弃生物质材料利用效率和附加值。 方法 以竹材废弃物竹节隔为初始碳源，水为溶剂，采用一步水热法制备荧光碳量子点，通过透射电子显微镜、X射线衍射、红外光谱仪、X射线光电子能谱仪、紫外可见光光度计、荧光光谱等表征手段，对竹节隔碳量子点的微观形貌、化学结构和光学特性进行了表征与分析。 结果 所制备的竹节隔碳量子点形状为近圆形，其粒径分布为0~1.6 nm；绝对荧光量子产率为6.85%；具有优异的荧光特性，在365 nm波长紫外灯下呈现明显的蓝色荧光。 结论 制备的竹节隔碳量子点水溶液绿色环保、性能良好，可通过进一步优化设计，以期应用于家具木制品及人造板等木质材料荧光防伪领域。图7参35 Abstract:Objective The objective is to achieve a green method for the preparation of bamboo carbon quantum dots and to improve the utilization efficiency and added value of waste biomass materials. Method Fluorescent carbon quantum dots were prepared by a one-step hydrothermal method using bamboo waste materials (bamboo septa) as the initial carbon source and water as the solvent. The micro-morphology, chemical structure and optical properties of the carbon quantum dots of bamboo septa were characterized and analyzed by means of transmission electron microscopy, X-ray diffraction, infrared spectrometry, X-ray photoelectron spectroscopy, UV-visible photometry and fluorescence spectroscopy. Result The shape of the prepared carbon quantum dots had a near-circular shape, with a size distribution of 0−1.6 nm. The absolute fluorescence quantum yield was 6.85%, and they had excellent fluorescence properties, with a blue fluorescence under a 365 nm ultraviolet lamp. Conclusion The prepared carbon quantum dots aqueous solution is environmentally friendly and has good performance, which can be further optimized for application in the field of fluorescence anti-counterfeiting of wood materials such as furniture wood products and artificial boards. [Ch, 7 fig. 35 ref.] -
Key words:
- bamboo septum /
- carbon quantum dots /
- fluorescence /
- fluorescent anti-counterfeiting
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十字花科Brassicaceae植物主产北温带，约375属3 200种。在中国主要集中于西南、西北、东北高山以及丘陵地区[1]，其中萝卜属Raphanus与芸薹属Brassica植物是中国最重要的蔬菜与油料作物，该科部分种类还可作为药用、观赏用、染料用或食用[2]。植物表皮蜡质是覆盖在陆生植物地上部器官表面的脂质成分，也存在于木栓的基质、愈伤组织、花粉粒以及种皮中[3]，其疏水结构在植物表面起极其重要的防卫功能，在植物与周围环境的相互作用中发挥着重要作用[4]。本研究从十字花科植物蜡质类型、结构、成分、含量、功能、遗传特性、合成与转运途径、分子机制等方面进行综述，为十字花科植物的蜡质代谢研究提供参考。
1. 十字花科植物蜡质的类型及其功能
1.1 十字花科植物蜡质的形态和成分
1.1.1 蜡质的形态结构
十字花科植物的蜡质呈片状、柱状和网状等26种形态类型，不同种类植物的蜡质形态不同[5]。徐秀萍等[6]采用扫描电镜(SEM)观察拟南芥Arabidopsis thaliana表皮蜡质，发现主要呈杆状，少量呈片状、管状、碟状和伞状。李红莲[7]发现：红菜薹Brassica campestris表皮蜡质为片状和网状构成的不规则三维结构。李帅等[8]发现：甘蓝型油菜‘中双11’Brassica napus‘Zhongshuang 11’叶表皮蜡质结构主要为杆状和颗粒状(小片状)。牟香丽等[9]发现：不同生长时期甘蓝Brassica oleracea var. capitata表皮蜡质呈现不同结构，苗期大多为颗粒状、片状和针状，结球期则较多为圆柱状和片状，成熟期以片状和针状为主。张曦[10]发现白菜Brassica pekinensis成熟叶片蜡质大多呈现出棒状且前端有圆形突起。
1.1.2 蜡质的化学成分
十字花科植物蜡质主要为超长链脂肪酸及其衍生物，包括烷烃、脂肪酸、醇、醛、酮的同系物，偶尔会出现环状化合物，如甾醇或三萜类化合物等[11]。蜡质通常使用三氯甲烷、正己烷等有机溶剂提取，采用气相色谱-质谱联用(GC-MS)技术鉴定成分[12]。植物表皮蜡质各成分占比不同。如白菜[10]成熟叶片蜡质的主要成分中酮类占1.02%，醇类占8.33%，烷烃占55.09%，酯类占26.34%。不同种类植物的表皮蜡质成分含量也存在差异[13]。如甘蓝型油菜‘中双11’叶[8]表皮蜡质成分中烷烃为8.24 μg·cm−2，次级醇为1.72 μg·cm−2，酮为1.62 μg·cm−2，初级醇为0.57 μg·cm−2，脂肪酸为0.10 μg·cm−2，醛为0.79 μg·cm−2，未知成分为9.33 μg·cm−2，总量为22.37 μg·cm−2；拟南芥[14]茎秆的表皮蜡质中初级醇为0.58 μg·cm−2，脂肪酸为0.10 μg·cm−2，醛为1.90 μg·cm−2，烷烃为13.13 μg·cm−2，次级醇为3.83 μg·cm−2，酮为5.95 μg·cm−2，总含量为28.99 μg·cm−2。而普通白菜自交不亲和系13S106[15]叶片的蜡质成分中烷烃为13.60 μg·cm−2，醛为0.90 μg·cm−2，醇为3.20 μg·cm−2，酮为8.30 μg·cm−2，脂肪酸为1.20 μg·cm−2，蜡酯为2.40 μg·cm−2。在上述不同十字花科物种中，蜡质主要成分均为烷烃，次要成分则有所不同。
1.2 十字花科植物蜡质的功能
十字花科植物表皮蜡质在维持水分平衡、反射紫外线、减少外来机械损伤、降低低温伤害、抵御细菌真菌入侵、防止昆虫侵食等抵抗生物与非生物胁迫中起着重要作用[16]，同时兼具影响叶片和果实着色、防止果实开裂和植株育性等生理功能[17]。
1.2.1 抗低温胁迫
低温胁迫易引起植物酶活性降低、细胞膜结构改变、细胞失水、代谢紊乱等，对植物生长发育造成多种负面影响[18]。倪郁等[19]发现：4 ℃低温胁迫下拟南芥生长发育缓慢、叶色变深，蜡质晶体的分布密度、大小、形态等发生改变。唐帅等[20]发现：4 ℃低温胁迫下拟南芥叶片表皮蜡质成分增加，烷烃、脂肪酸、醛、初级醇和酮相对含量分别增加54.34%、29.61%、54.40%、24.07%和137.80%；荧光定量聚合酶链式反应(PCR)检测显示蜡质相关基因的表达水平显著提高，说明拟南芥通过提高蜡质含量来缓解低温胁迫，预防低温对植物内部组织的伤害。
1.2.2 抗紫外线胁迫
紫外线中UV-B波长为280~315 nm，可对植物表面造成损伤。PRUDNIKOVA等[21]发现：过量UV-B处理会造成植株干质量降低，叶面积减小，净光合速率下降及花期变短等。宋超[14]发现：UV-B胁迫下拟南芥蜡质相对含量明显增加，蜡质相关基因CER3、CER4、KCS1表达量显著提高，其中CER4基因的相对表达增加了13.80倍，CER1和WIN1表达量降低。此外，UV-B胁迫下拟南芥蜡质晶体结构发生熔融，晶体由杆状变成片状，蜡质覆盖面积增加，蒸腾作用减少，从而达到反射更多紫外线的效果。
1.2.3 抗干旱胁迫
植物蜡质作为疏水屏障，在限制非气孔水分散失中扮演重要角色[22-23]。柴凌燕[24]发现：拟南芥过量表达蜡质相关转录因子WIN1可提高蜡质合成量，调节表皮渗透性，增强植株耐旱性。LÜ等[25]发现：拟南芥CER9编码一种与植物抗旱性相关的决定因子，该因子缺失可以增加蜡质合成，阻塞更多的气孔，抑制蒸腾作用。周燕等[26]发现：甘蓝型油菜中BnWIN2C01的特异性表达影响了叶片蜡质合成，从而影响植株水分平衡。
1.2.4 抗败育
花粉发育异常会导致植株减产或杂交不育，蜡质是花粉表面含油层的重要成分，在植物生殖发育方面发挥重要作用。KOCH等[27]发现：蜡质不仅影响植物叶片和果实的形态、发育，还影响植株花粉的发育情况。刘艳艳等[28]发现：FAX1基因缺失会抑制拟南芥营养生长，造成植株矮小、茎纤细、花粉稀少、角果短小等，同时还影响花粉壁的发育与花粉的育性，进而影响授粉过程。徐法青[29]发现：拟南芥CER3基因参与花粉脂质的合成或转运，该脂质的缺失会影响花粉与柱头的识别，阻断水合作用，最终导致雄性不育。
1.2.5 抗病虫害
蜡质可以减少叶片表面水分，减少病菌停留和降低病菌入侵。JU等[30]发现：蜡质的晶体结构可促使水分形成水滴以便滑落，并带走叶片表面的灰尘、污染物和病菌等。SURVILA等[31]发现：相较于正常植株，拟南芥蜡质缺失植株表面细菌更多，更易发生病害。蜡质在植物抵抗虫害方面也起着重要作用，它可通过光的反射，改变植物表现出的颜色，影响昆虫视觉，减少昆虫取食和产卵。BOHINC等[32]以8种基因型甘蓝为对象进行田间试验，发现蜡质对甘蓝跳甲Phyllotreta spp.和菜椿Eurydema spp.的生存有抑制作用，且蜡质含量越高，植株上甘蓝跳甲和菜椿越少。
2. 十字花科植物蜡质遗传特性
十字花科植物蜡质缺失表型明显，表面无蜡质覆盖的植株呈现叶色亮绿等性状，包括单基因隐性遗传、单基因显性遗传和双基因隐性遗传等3种遗传特性。
2.1 单基因隐性遗传
ANSTEY等[33]在青花菜Brassica oleracea var. italica中发现了十字花科植物中第1个符合单基因隐性遗传规律的蜡质缺失突变体。刘泽洲等[34]发现：甘蓝蜡粉缺失突变体10Q-961符合单基因隐性遗传规律。李红莲等[7]对无蜡质红菜薹与有蜡质红菜薹杂交建立6世代群体并进行研究，发现蜡质缺失突变体符合隐性遗传规律。王灿洁等[15]发现红菜薹自交系13S106蜡质缺失性状受隐性单基因控制。
2.2 单基因显性遗传
蒲媛媛等[35]发现：甘蓝型油菜光叶突变体GL的蜡质缺失性状受单个显性基因控制。刘东明[36]发现：甘蓝10Q-974亮绿性状符合单基因显性遗传规律，突变基因 BoGL1位于8号染色体177 kb的区间内，与基因Bol018504的表达相关。
2.3 双基因隐性遗传
周熙荣等[37]发现：甘蓝型油菜杂交F2中出现少数蜡质缺失的植株，其无蜡质性状由2对隐性基因控制。莫鉴国等[38]对加拿大引进的无蜡质甘蓝型油菜种质材料‘Nilla’进行研究，发现其蜡质缺失性状也是受2对隐性基因控制。
3. 十字花科植物蜡质合成分子机制
3.1 蜡质合成途径
十字花科植物蜡质合成C16~C18脂肪酸合成、C20~C34超长链脂肪酸合成、超长链脂肪酸衍生物合成等3个途径(图1)。合成相关酶如表1所示。
表 1 拟南芥参与蜡质生物合成的酶Table 1 Enzymes involved in wax biosynthesis in Arabidopsis thaliana序号 酶 缩略符 基因 参考文献 1 乙酰辅酶A羧化酶 ACC ACC1，ACC2 [39] 2 酰基载体蛋白硫解酶 FAT FATA，FATB [40] 3 长链酰基辅酶A合成酶 LACS LACS1，LACS2，LACS4 [41-44] 4 β-酮酰辅酶A合成酶 KCS FAE1，CER6，KCS1，FDH [45-46] 5 β-酮酰辅酶A还原酶 KCR KCR2 [11] 6 β-羟酰-酰基辅酶A脱水酶 HCD PAS1，PAS2 [47-48] 7 反式烯酰辅酶A还原酶 ECR CER10 [49] 8 脂肪酰辅酶A还原酶 FAR CER4 [50] 9 蜡酯合成酶 WS WSD1 [51] 10 脂肪酰辅酶A还原酶 FAR CER3 [52] 11 醛脱羰酶 AD CER1 [53-54] 12 中链烷烃羟化酶 MAH MAH1 [55] 3.1.1 C16~C18脂肪酸合成
C16~C18脂肪酸在质体中合成，初始反应物乙酰辅酶A在乙酰辅酶A羧化酶(ACC)和脂肪酸合成酶的作用下，以每次增加2个碳原子的方式延长碳链，形成C16~C18的酰基载体蛋白[39]，然后在酰基载体蛋白硫酯酶(FAT)作用下水解生成C16~C18脂肪酸[40]。脂肪酸经长链酰基碳烯A合成酶(LACS)催化后以脂肪酰辅酶A的形式进入内质网中[41]，进行下一步反应。ZHAO等[42]发现：拟南芥的9个LACS基因中，LACS1和LACS2参与蜡质的合成。LÜ等[43]和JESSEN等[44]进一步发现：LACS1和LACS4参与花粉外被长链脂肪酸的合成。
3.1.2 C20~C34超长链脂肪酸合成
C20~C34超长链脂肪酸合成场所是内质网。C16~C18脂肪酰辅酶A与丙二酰辅酶A通过脂肪酸延伸酶复合物(FAE)进行合成，每次循环增加2个碳原子，多次循环延伸碳链，最终形成C20~C34超长链脂肪酸，其中丙二酰辅酶A由乙酰辅酶A于细胞质中经过乙酰辅酶A羧化酶催化形成。该反应中的FAE属于多酶复合体，包括β-酮酰辅酶A合成酶(KCS)，β-酮酰辅酶A还原酶(KCR)，反式烯酰辅酶A还原酶(ECR)和β-羟酰-酰基辅酶A脱水酶(HCD)4种酶，其中KCS是该反应的关键酶，对反应底物具有特异性。QUIST等[45]发现：拟南芥KCS基因分为FAE1类和ELO类，前者包含FAE1、CER6、KCS1和FDH等4个亚组，而ELO类基因功能还未见报道。SUH等[46]发现：拟南芥与蜡质相关的基因有KCS1、KCS2、KCS13、KCS10、KCS20和CER6等；拟南芥中的KCR基因有KCR1和KCR2等2种，KCR1没有功能，KCR2参与超长链脂肪酸的合成。ZHAO等[47]发现：相比野生型，cer10突变体器官小，蜡质少；CER10基因在表皮和种子中有ECR功能活性，参与超长链脂肪酸合成。目前对HCD的研究较少，BACH等[48]发现：pas2-1突变体的蜡质含量明显少于野生型，PAS2基因功能完全丧失会最终导致胚死亡，推测PAS2在超长链脂肪酸合成和生物发育中起到非常关键的作用。ROUDIER等[49]发现：内质网中的PAS1和PAS2，KCR和ECR存在蛋白互作，并认为PAS1在多酶复合体中扮演分子构架的角色。
3.1.3 超长链脂肪酸衍生物合成
同位素示踪和气相色谱质谱技术已经验证了超长链脂肪酸通过酰基还原途径和脱羰基途径衍生出其他蜡质成分。酰基还原途径也叫醇合成途径，超长链脂肪酰辅酶A经脂肪酰辅酶A还原酶(FAR)还原产生初级醇，初级醇与C16~C18脂肪酸辅酶A经蜡酯合成酶(WS)缩合产生蜡酯。拟南芥通过酰基还原途径产生的蜡质相对含量约为20%。 CER4基因编码的酰基辅酶A还原酶在该途径中起到关键作用，主要将拟南芥表皮和根部脂肪酸还原成初级醇。ROWLAND等[50]发现：拟南芥cer4突变体茎中醇与蜡酯含量显著降低。LI等[51]发现：拟南芥wsd1突变体蜡酯含量明显少于野生型。脱羰基途径也叫烷烃合成途径，超长链脂肪酰辅酶A经脂肪酰辅酶A还原酶(FAR)还原产生的醛经醛脱羰酶脱羰产生烷烃，经中链烷烃羟化酶(MAH)1次羟化产生次级醇，再次羟化生成酮。拟南芥约80%的蜡质组分由该途径产生。BERNARD等[52]发现：拟南芥cer3突变体中醛含量减少，说明CER3基因在产生醛的过程起着重要作用。OSHIMA等[53]和刘秀林[54]发现：拟南芥cer1突变体茎表皮蜡质组分中烷烃含量减少，而醛含量增加，说明CER1编码的酶参与烷烃产生。GREER等[55]发现：MAH1是烷烃羟化酶，拟南芥mah1突变体中次级醇和酮的含量显著减少。
3.2 蜡质转运途径
内质网上经过各种酶加工修饰合成的蜡质成分会先转运到细胞膜，再通过转运蛋白进行跨膜运输，最后经脂质转移蛋白跨细胞壁转运到角质层，转运途径及转运蛋白见图2和表2。
表 2 拟南芥参与蜡质转运的蛋白Table 2 Waxy transport proteins in Arabidopsis thaliana3.2.1 细胞内的蜡质转运
目前对蜡质从内质网转运到质膜有2种推测：①蜡质通过内质网与质膜内侧接触的部分直接进行运输；②蜡质先进入内质网分泌的囊泡，再经高尔基体转运到细胞膜内侧[56]。
3.2.2 蜡质的跨膜运输
蜡质到达质膜后利用相关转运蛋白进行跨膜运输。ABCG11和ABCG12是拟南芥中2个蜡质转运相关的半分子转运蛋白，LUO等[57]发现：ABCG11通过与另1个ABCG11结合形成同源二聚体或是与其他半分子转运蛋白结合形成异源二聚体来转运蜡质分子。BIRD等[58]发现：abcg11突变体生长速度减缓，表皮蜡质含量减少。QUILICHINI等[59]发现：ABCG12基因编码定位在质膜上的ABC转运蛋白，ABCG12基因的缺失导致拟南芥表皮部位的蜡质显著减少，而细胞内蜡质总含量并没有显著变化，说明该基因缺失只影响了质膜中的蜡质转运过程，而细胞内蜡质合成并没有受阻。
3.2.3 蜡质转移到角质层
到达细胞膜外的蜡质由脂质转移蛋白(LTPs)转运到角质层。LTPG1是一种脂质转移蛋白，包含8个保守的半胱氨酸，形成疏水囊泡。DeBONO等[60]发现：ltpg1突变体的茎和角果表皮蜡质C29烷烃含量减少，但其他蜡质成分不存在显著差异，说明突变体缺失的蛋白可能对C29烷烃转移具有专一性。孙伟[61]发现：Th-nsLTP是一个非特异性脂转移蛋白，通过参与小盐芥表皮蜡质转移过程，使表皮蜡质含量减少，晶体结构从杆状转为柱状。
4. 展望
十字花科植物蜡质形成分子机制极其复杂，今后可从以下几个方面深入探究。①当前对蜡质形态结构与成分含量的研究都是独立的，若能寻找不同蜡质成分形成晶体过程中的空间折叠规律，将有助于探明蜡质成分与蜡质结构复杂多样性背后的具体对应关系。②目前在蜡质合成与转运方面研究较多，但在外界环境条件如低温、干旱或光照强度对蜡质合成影响方面的研究较少，需要更多的相关研究阐明环境影响蜡质合成的机制。③培育蜡质过量的新品种对于研究蜡质形成分子机制及抗病育种都具有重要意义。
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图 1 竹节隔碳量子点制备流程图
Figure 1 Flow chart for the preparation of bamboo spacer carbon quantum dots
图 2 CQDs的透射电镜成像图和XRD图
Figure 2 Transmission electron microscope images and XRD spectra of CQDs
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https://zlxb.zafu.edu.cn/article/doi/10.11833/j.issn.2095-0756.20240361
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