La aplicación de la nanotecnología en vecindarios agrícolas está desarrollándose rápidamente con el objetivo de promover el crecimiento y mejorar la tolerancia de los cultivos al estrés ambiental. Sin embargo, hay menos informes sobre la aplicación de nanopartículas de grafeno en la producción práctica, especialmente en arroz fragante. En experimentos de macetas de temporada temprana y tardía realizados en 2022, se examinaron los efectos del grafeno en el rendimiento, la calidad del grano, el 2-acetil-1-pirrolina (2-AP) y los sistemas antioxidantes de dos cultivares de arroz fragante (19x y Meixiangzhan) a concentraciones de 9 g/hm, 18 g/hm y 27 g/hm. Los resultados mostraron que el tratamiento T1 de grafeno a 9 g/hm aumentó significativamente la actividad de PDH y P5CS, promovió la síntesis de prolina y P5C e incrementó significativamente el contenido de 2-AP de los granos de los dos cultivares de arroz fragante en un 10,33-39,88% y 22,05-65,76%, respectivamente, en ambas temporadas de crecimiento. Mientras tanto, la concentración más baja del tratamiento T1 (9 g/hm) aumentó los granos por panícula y el peso de 1000 granos, mejorando el rendimiento de ambos cultivares de arroz fragante. El tratamiento T1 (9 g/hm) tuvo efectos significativos en la apariencia y calidad nutricional de ambos cultivares de arroz fragante. Aumentó la tasa de arroz entero y el contenido de proteínas de los granos, al tiempo que aumentó el contenido de amilosa de 19x y redujo el grado de tiznado de 19x. Por el contrario, el tratamiento T1 redujo el contenido de amilosa y aumentó el grado de tiznado de Meixiangzhan. Además, la baja concentración del tratamiento T1 aumentó significativamente las actividades de POD y SOD, aumentó el contenido de pigmentos fotosintéticos y disminuyó el contenido de MDA en las hojas. Sin embargo, 18 g/hm y 27 g/hm tuvieron efectos ligeramente negativos en el rendimiento, la calidad del grano y la biosíntesis de fragancias en ambos cultivares de arroz fragante. Además, los resultados del modelado de ecuaciones estructurales mostraron que las enzimas antioxidantes tuvieron un efecto significativo y positivo en el contenido de 2-AP del grano y la actividad de las enzimas relacionadas con la síntesis de 2-AP, y los pigmentos fotosintéticos tuvieron un efecto significativo y positivo en el rendimiento y la calidad de la apariencia del grano, mientras que la calidad de la apariencia y la calidad nutricional del arroz tuvieron efectos significativos y positivos en el rendimiento. En general, este estudio mostró que las concentraciones adecuadas de grafeno tienen un buen potencial para su uso en la producción de arroz fragante, pero se debe prestar atención adicional a la concentración de la aplicación de grafeno.