纳米材料因其在提高作物产量和增强抗逆性方面的潜力，在可持续农业领域正受到广泛关注。然而，田间实际应用时，土壤基质固有的空间异质性必然导致纳米材料在根际的不均匀分布。传统栽培方法通常将纳米材料与土壤充分混合，以实现宏观均匀分布，从而研究其剂量效应。但即使如此，土壤中的自然物理化学过程（如团聚、沉降等）仍会在微观尺度上产生异质分布。这意味着，土壤异质性使得纳米材料在根际的效应同时受剂量和空间分布的双重影响。在传统整体法研究中，这两个因素相互混淆，难以厘清各自的贡献。因此，如何将空间分布效应从剂量效应中独立出来，建立纳米材料效应的清晰因果关联，是当前该领域亟待解决的关键科学问题。
微流控芯片技术凭借其光学透明性、流体层流可控以及对根系微环境的原位观测能力，为探究土壤非均匀分布问题、独立解析空间异质性的贡献提供了全新平台。二硫化钼（MoS2）纳米片作为典型的氧化还原活性纳米材料，其表面化学特性可介导植物根际活性氧及铁稳态的调控。纳米材料在根际的富集可能通过铁依赖的活性氧信号通路影响根系构型，但该过程是否受空间分布模式的调控，以及其与均质暴露的生物学效应差异，尚缺乏系统研究。因此，从空间异质性视角审视纳米材料与植物的互作机制，对于精准农业中纳米材料的科学设计、定向递送及安全施用具有重要的理论价值和实践意义。
浙江大学陈宝梁团队在Soil & Environmental Health（SEH，《土壤与环境健康》）期刊发表题为“根际二硫化钼纳米片异质暴露触发氧化还原介导的根系毒物兴奋效应：原位芯片追踪（Asymmetric exposure to MoS2 nanosheets triggers redox-mediated hormesis effect in plant roots: Insights from in situ chip tracking；2026，4(3)：100220）”的论文。
本研究基于微流控根芯片平台，以层流特性实现对根际纳米材料空间分布的精确控制，将“空间异质性”作为独立变量进行解析。在同等剂量下比较均质（对称，两侧均分）与异质（非对称，单侧全部）暴露二硫化钼纳米片对拟南芥根系生长的影响，直接评估空间分布对拟南芥根系生长的影响。生长模型结果表明，根系生长呈S形曲线，分为延迟生长期、快速生长期和渐近生长期。对称暴露下，纳米片呈现典型剂量依赖性毒性，抑制根系生长。非对称暴露则表现出毒物兴奋效应即高浓度（100~200mg/L）抑制生长，中等浓度（50mg/L）显著促进生长，64 h时根长较等剂量组（对称暴露25mg/L）增加17%。
图1 根际中纳米材料效应研究模式对比
图2 根际对称与不对称暴露下MoS2纳米片对根系生长的影响
MoS2纳米片可内化进入根系，调节氧化还原稳态。非对称暴露下，50mg/L MoS2纳米片引发根系活性氧（ROS）从暴露侧激增并传导至非暴露侧，整体ROS水平较同剂量对称暴露升高约2.6倍。此时根系无显著氧化损伤，且生长被促进；而高浓度暴露则导致严重氧化损伤，抑制生长。抑制实验表明，添加ROS清除剂或RBOH（呼吸爆发氧化酶同源物）抑制剂可消除促生长效应，证实局部刺激产生的ROS信号是促生长的关键。
图3 非对称暴露下MoS2纳米片通过调控根系活性氧稳态促进根系生长
MoS₂纳米片暴露下，根系总铁含量随剂量增加而升高。同等剂量下对称与非对称暴露的总铁积累无差异，表明根内铁含量取决于总暴露水平而非空间分布。通过RhoNox-1探针原位成像发现，不对称暴露（50mg/L）使得根内Fe2+含量从暴露侧增加并向非暴露侧传导。在快速生长期，非对称暴露50mg/L硫化钼纳米片（Asy-50）处理使根系Fe2+水平较对照升高2.77倍，较同等剂量的对称组升高2.03倍，呈适度增加。抑制实验表明，通过添加铁螯合剂和使用缺铁培养基可消除Asy-50的促生长效应，表明局部刺激产生的Fe2+响应是促进根系生长的关键。
图4 非对称暴露下MoS2纳米片通过调控根系Fe2+稳态促进根系生长
之后，进一步探究了Fe2+与ROS之间的相互依赖关系。在不对称暴露（50mg/L）下，添加ROS清除剂或RBOH抑制剂不影响根系Fe2+含量的升高，表明Fe2+积累不依赖根内ROS。相反，在缺铁条件下即添加螯合剂或缺铁培养基培养，MoS2纳米片仅能在暴露侧引发局部ROS响应，无法向非暴露侧传导，说明ROS的传播依赖于Fe2+。因此，非对称暴露下MoS2纳米片通过Fe2+介导的方式调控根系ROS稳态。
最后，通过DR5:GFP生长素报告株系发现，不对称暴露（50mg/L）显著增加根尖生长素积累；添加生长素合成抑制剂可消除促生长效应。在缺铁或清除ROS条件下，DR5:GFP表达显著下调，而抑制生长素合成后不影响根内ROS和Fe2+水平，表明生长素合成作用于氧化还原信号下游。综上，适度剂量的非对称暴露下MoS2纳米片通过Fe2+介导的ROS-生长素通路促进根系生长。
图5 非对称MoS2纳米片经Fe2+介导ROS信号增加生长素含量，促进根系生长
浙江大学环境与资源学院博士研究生兰依伦为论文第一作者，陈宝梁教授为通讯作者。浙江大学环境与资源学院李保海长聘副教授、毕业博士朱相宇、实验教学中心助理研究员王昆以及浙江大学长三角智慧绿洲创新中心特聘副研究员于文涛参与了合作研究。该研究得到了国家自然科学基金、重点研发计划等项目的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.seh.2026.100220