Carbon Dot Nanozyme for Enhancement of Yield and Quality in Maize through Multimechanism Joint Effects

Resumo

A produção de milho desempenha um papel crucial na garantia da segurança alimentar global. No entanto, a utilização de nanozimas para melhorar a produtividade e a qualidade do milho raramente foi relatada. Neste trabalho, apresenta-se pela primeira vez a preparação e aplicação de nanozimas de pontos de carbono (PCs) para melhorar a produtividade e a qualidade do milho. A equação de Michaelis-Menten demonstra que os PCs nanozimas exibem excelentes características cinéticas enzimáticas, possuindo assim atividade do tipo catalase. A atividade semelhante à enzimática dos PCs mitiga efetivamente os danos oxidativos causados pelo ambiente externo no milho. Além disso, os PCs têm a capacidade de converter a luz solar ultravioleta em luz azul brilhante, aumentando os níveis de elementos essenciais como Mg, Fe e Zn no milho. Consequentemente, isso promove a síntese de clorofila e a fotossíntese. Ademais, a imagem confocal verifica que os PCs podem penetrar facilmente nas células do milho e subsequentemente regular a atividade das enzimas antioxidantes endógenas da planta. Isso leva a uma redução nos metabólitos de peroxidação do malondialdeído e a um aumento nas pequenas moléculas antioxidantes, como glutationa e ácido ascórbico (VC). Os efeitos combinados mencionados aumentaram significativamente a produtividade do milho em aproximadamente 20% em experimentos de plantio, ao mesmo tempo que melhoraram sua qualidade nutricional. Este estudo lança luz sobre a aplicação potencial de nanozimas na melhoria da produtividade e da qualidade do milho.

Abstract

Maize production plays a crucial role in ensuring global food security. However, the utilization of nanozymes in enhancing maize yield and quality has rarely been reported. In this work, for the first time, the preparation and application of carbon dot (CD) nanozymes to improve maize yield and quality are presented. The Michaelis–Menten equation demonstrates that CD nanozymes exhibit excellent enzymatic kinetic characteristics, thereby possessing catalase-like enzyme activity. The enzyme-like activity of CDs effectively mitigates oxidative damage caused by the external environment in maize. Moreover, CDs have the capability to convert solar ultraviolet light into bright blue light, enhancing the levels of essential elements such as Mg, Fe, and Zn in maize. Consequently, this promotes chlorophyll synthesis and photosynthesis. Furthermore, confocal imaging verifies that CDs can easily penetrate maize cells and subsequently regulate the endogenous antioxidant enzyme activity of maize. This leads to a reduction in peroxidation metabolites of malondialdehyde and an increase in antioxidant small molecule substances such as glutathione and ascorbic acid (VC). The combined effects mentioned above significantly increase maize yield by approximately 20% in planting experiments while also improving its nutritional quality. This study sheds light on the potential application of nanozymes in enhancing the maize yield and quality.