周智 湖南农业大学教授

用“光”弹奏作物的“生长曲”

——记湖南农业大学教授周智

2023-11-28

民以食为天，百业农为先。作为传统的农业大国，自古以来，我国的一代代农业科学家和从业者初心如磐，不断探索着农业发展的道路与方向，湖南农业大学教授周智也是其中的一员。站在农学与化学的交叉地带，他结合自身发光材料背景优势，围绕“光调控作物生长”这一课题，先后展开了作物先进栽培环境、模式、手段等连续性创新研究，为实现“增加粮食产量、提升作物品质”的目标提供强劲支撑。同时，靶定我国“双碳”目标，他以“提升植物光合效率、增加二氧化碳吸收”为切入点，大力推动我国农业固碳减排，助力我国农业绿色高效发展。“我正在做的事情，既是为了当下，也是为了长久。给作物提供良好生长环境、让作物更好生长的同时实现固碳减排，这是人与自然和谐共生的事情。”专注科研、脚踏实地的周智是这样说的，也是这样做的。 

以光助农拓新路 

在农药、化肥等领域中，农学和化学的“强强联合”早已取得不少成果。不过，自本科起即就读于湖南农业大学应用化学专业的周智，却没有沿袭这一传统的研究方向。在为期13年的求学生涯中，他始终思考着农业与化学的本质关系，并试图以完全不同的思路去耦合二者关系。这样的想法敦促着他在本科和硕士期间，就新型化学品及新材料在农业领域的应用展开研究；并让他在中南大学攻读博士及赴荷兰展开博士后研究时，对以荧光粉为代表的农用发光材料研究及其产业化应用发起冲锋。这个被周智称为“打基础”的阶段，他的每一步都走得笃定而踏实。

待到2014年学成回国、入职母校后，“如何更好地用光来调控作物生长”成了摆在周智面前的首要问题。尽管课题组刚刚成立，但深思多年的周智很快就为自己和团队确立了发展方向——“在农业大学，要做与农业相关的研究，更要做能够发挥自身化学优势的农业研究。”就此，他以平台负责人的身份牵头申报了“湖南省光学农业工程技术研究中心”省级科研平台，锚定发光材料的制备、发光器件的组装、发光器件在农业中的应用方法等方向，他期待“通过精准调控作物的光环境，弹奏好光与作物的‘生长曲’”。

经过多年发展，平台在基础研究、技术开发、产业应用等层面取得多项成果，一条从研究到应用的链路也随之打通。基于他们在新型高效LED植物生长灯用荧光粉的开发和性能提升，以及光对植物生长发育的促进影响这两个方面开展的长期探索，周智团队在原理、技术及应用层面均取得突破，相关成果“高光效高热稳定荧光粉激发型LED植物生长灯设计制造与应用示范”也于2019年被评为湖南省科技进步奖二等奖。

在这一成果中，围绕LED植物生长灯在实际应用中遇到的发光效率低和热稳定性差问题，周智团队通过杂原子取代改善荧光粉基质结构，达到增强能量传递最终实现荧光粉发光效率增强的目的；此外，他们还通过杂原子取代增强结构稳定性和原子沉积技术包覆改变表面性能，以提高荧光粉热稳定性。在此基础上，团队设计和制造了系列高光效高热稳定性发光材料，将其封装成多功能LED植物生长灯具后应用于植物生长，并针对不同植物及其不同生长时期对光谱的需求差异进行按需供给，从功能成分和生长速度两个角度调控植物生长。目前，项目共授权国家专利25项，其中发明专利10项、实用新型专利15项，在相关技术及产品的应用等层面创造了良好的社会效益和经济效益。这一技术开发与基础研究并重、实现产业化应用的研究成果，对周智团队打开“研—产—用”三者循环推进的良好局面起到了决定性作用，也成为启发周智进一步思索前进方向的重要契机。 

以光助茶香更远 

在迈出、走稳了科技成果产业化的第一步后，周智也不断思索着以科研力量为当地农业赋能的可能性。通过与湖南农业大学茶学院士刘仲华教授的深入交流，他为自己和团队圈定了新的研究方向：一方面，要掌握好效果和成本之间的平衡，提高相关成果在农户及企业中的接受度，让研究成果在农业生产实践中得到全面推广与应用；另一方面，科研工作要朝着更加精深的方向发展，精心选择具有当地特色的典型优势作物作为研究的切入点和持续发力点，让交叉研究进一步发挥实用价值。从这个目标出发，周智选择了对湖南省乃至全国都有重要意义的茶叶行业，就光照与茶氨酸含量的关系展开研究。

“以清明节气为界，茶叶有明前茶、明后茶之分。二者价格相差巨大，主要原因就在于以茶氨酸为代表的功能成分含量有很大差异，进而导致茶叶风味相去甚远。”周智介绍道，“光照条件会影响氨基酸的积累，清明前后茶叶品质的差异很大程度来源于光照条件的不同，但其调控规律及响应机制尚不明确。”就此，他与湘丰茶业集团等企业合作，以湖南地区特异茶树资源——保靖黄金茶为研究对象，展开了“Cr3+激活远红光发射荧光材料的制备与茶氨酸光代谢调控研究”项目的攻关。

通过修复表面缺陷、构建能量传递等多种策略对Cr3+激活的双钙钛矿结构发光材料进行改性，周智团队提高了荧光粉的光效，增强了器件的热稳定性，从而获得灯具的最佳使用效果。借由这一封装灯具进行的补光实验，周智团队明确了茶叶生长过程中的光调控机制：添加适量远红光后，茶氨酸含量高于单独白光和单独蓝光3倍左右，是一种有效增加或维持茶氨酸含量的光照环境条件；换言之，远红光是调控茶氨酸合成路径及基因表达的关键因素。“了解调控机制后，我们将特殊波段蓝光加上远红光进行复合处理之后对茶树进行照射，使茶氨酸含量变得相对稳定，可以将明前茶的有效采摘期延长一周左右。”目前，这一项目成果为植物照明灯具产业及茶产业提供了坚实的理论基础，有效地促进了农用发光材料及植物灯用LED设备的发展，同时在茶叶增产、茶农增收等方面表现出极高的综合经济效益。

截至目前，周智已累计申请专利50余项，其中已有20余项进入推广及应用阶段。以所学所研为产业发展持续赋能，是他投身产学研实践的起点。如今身为人师，周智同样坚定地扛起为行业培养新人的职责，他期待育得“源头活水”，共同汇成行业发展的磅礴新歌。 

“新农路”上好“光”景 

2022年是周智的“丰收年”。在这一年，他先后斩获了农业农村部神农青年英才、霍英东教育基金会高等院校青年科学奖、中国农学会青年科技奖和第五届中国环境科学学会青年科学家优秀奖等多个奖项。提及这些荣誉，周智认真地说：“这一切都离不开学校提供的平台、离不开团队成员的协助，更离不开学生的支持。”

在周智课题组刚刚成立、处处“捉襟见肘”的时候，他带着仅有的3名本科生，一步步走到了繁花盛景时。如今回顾来时路，周智说：“把本科生当成研究生，他就是研究生；把研究生当成博士生，他就是博士生；把博士生当成同事，像同事一样尊敬他，给他机会和空间，他就能够像同事一样做得好。我就是以这样的态度来培养学生，逐步形成了适合我们的教学方法，也就此诞生了更多的教学成果。”2021年，湖南农业大学农学院融合现代信息技术、现代生物技术、现代工程技术和传统农学共同设立了智慧农业专业，周智出任班主任和专业教授，他将前沿理论和实际课题引入课堂，着力培养学生成为国家急需的复合型人才。“新农科建设本质上就是复合型农业人才建设，我们要做的就是发挥自己和团队在科研和实践方面的领先优势，帮助学生行稳致远、茁壮成长。”

“作物生长需要好的环境，包括光环境和土壤环境。”谈及未来的科研方向，周智娓娓道来，“我们将继续以茶为研究中心、以光为主要手段，分别就光照对茶树功能成分含量变化的调控机制、光照在茶叶委凋等加工过程中的作用等方面，紧紧围绕‘光与茶’的主题开展学科交叉研究；针对具体的产业问题，我们将选取多个研究视角、综合不同学科之力进行联合攻关，从而为‘新农路’创造更多好‘光’景。”

来源：科学中国人 2023年11期 创新之路