自发现以来,石墨烯便凭借其优异的理化性质受到了科学家的广泛关注,已被应用于多个领域。近年来,随着纳米技术的不断发展,石墨烯类纳米材料在农业领域的应用开始崭露头角。例如,石墨烯可作为植物传感器、基因载体等用于监测植物生物与非生物胁迫,提升植物光合作用等。然而,由于缺乏对石墨烯在复杂生物体内的有效定量手段,目前关于石墨烯在植物组织的积累分布规律等方面的研究较为匮乏,导致石墨烯对组织中的细胞和细胞器功能的影响不明确。本论文首先以绿藻模式生物莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii,C.reinhardtii）为实验对象,借助14C放射性同位素标记技术,研究少层石墨烯（Few-layer graphene,FLG）对衣藻细胞活动的影响,然后分析了FLG在其细胞中的积累分布规律,最后探究了它对光合作用的影响。莱茵衣藻是单细胞藻类,具有结构简单且光合效率高的特点,与在藻类中的研究不同,石墨烯在植物中的吸收积累过程更为复杂。因此选取了既是高等植物同时也是重要作物的水稻为受试对象,研究了FLG在水稻叶片细胞中的积累和分布规律,进一步考察了FLG对水稻叶片和叶绿体光合作用的影响。厘清了FLG对藻类和植物光合作用的影响后,选取水稻叶绿体为研究对象深入探究其背后的机制。从水稻叶片中分离得到叶绿体及其组分后,先确定了FLG会对类囊体产生影响,然后结合FLG自身的特性,分析光反应的过程,包括光合色素光能吸收、电子传递、ATP合成等重要步骤,阐明了FLG影响光合作用的机制。本论文主要的研究内容和结果如下:（1）首先以莱茵衣藻为实验对象,通过光学显微镜监测其细胞数量、细胞分裂情况和活动能力等,发现低浓度FLG对衣藻的生命活动具有促进作用。然后探究了衣藻细胞对FLG的摄取规律,摄取动力学与荧光观察结果均显示摄取量取决于暴露时间和FLG浓度。利用TEM切片观察和拉曼光谱表征,发现进入衣藻细胞的FLG被定位至叶绿体。最后探究了FLG对衣藻细胞光合作用的影响,通过延迟荧光和ATP含量检测证实了FLG对衣藻的光合活性具有促进作用。（2）然后以水稻为研究对象,将水稻植株的根部暴露于含14C-FLG的营养液中,暴露7天后,发现根茎叶中FLG的含量分别是9.90、4.90和5.45 mg/kg组织干重。然后研究了FLG在水稻叶片中的分布规律,结果显示叶片中积累的FLG约43.8%进入了叶绿体中。利用TEM和拉曼光谱等表征手段对叶绿体中的FLG进行了定性表征;并且通过体外暴露实验研究了叶绿体对FLG的摄取规律,结果表明叶绿体中FLG的含量与暴露时间和FLG浓度呈正相关。此外,探究了FLG暴露后水稻叶片和叶绿体的光合作用,发现FLG可以促进水稻叶片与叶绿体的延迟荧光强度。通过DCPIP还原法和荧光素/荧光素酶分析法,分别检测了FLG对叶绿体光合活性的影响,结果表明FLG可以增强叶绿体光合活性,经FLG处理的叶绿体ATP含量是其自身水平的2.4倍左右。（3）最后探究了FLG促进叶绿体光合作用的机理。首先,研究发现FLG会对类囊体产生影响,表明FLG促进了光合作用的光反应阶段。然后分析光反应阶段的每步反应,测量了叶绿素含量,结果显示无显著变化。光电流响应结果显示类囊体-FLG修饰电极上产生了更高强度的光电流,然后在体系中分别添加两个光系统的电子传递抑制剂,揭示了FLG促进的是光系统Ⅱ上的电子传递速率。此外还通过光漂白和ROS清除实验展示了FLG对叶绿体的保护作用:FLG对体系中过量的ROS具有清除作用,能够保护叶绿体活性,从而在一定程度上促进了光合作用。