根际氧环境对水培尖叶莴苣生长生理和品质的影响

尚春雨，严逸男，陈 露，许 茹，林义章，邵贵荣，钟凤林*

(1 福建农林大学 园艺学院，福州 350002；2 福建金品农业科技股份有限公司，福州 350000)

尖叶莴苣(LactucasativaL.)为菊科莴苣属莴苣种叶用蔬菜，色泽淡绿、质地脆嫩，叶用莴苣食用方法多样且具有较高的营养价值[1]，含有丰富的糖、有机酸、蛋白质、维生素、钙、铁等营养物质，具有清热利尿、软化血管、清燥润肺之功效，对高血压、心脏病、肾病等疾病也具有很好的辅助疗效[2]。

近年来，无土栽培技术已成为解决设施生产土壤污染、盐渍化、连作障碍等日益严重问题的有效手段。水培生产尖叶莴苣也受到越来越多人的青睐[3]。水培莴苣生产过程中水、肥、气的比例是极其重要的环境因素[4]。由于氧气在水中的溶解度较低，营养液对根系的氧供给量较少，若将根系全部浸没在营养液中，极易使植株根际供氧不足，造成低氧胁迫，影响作物生长[5]。但是，水培的营养液溶氧浓度低、耗氧快，会使根系供氧状况恶化，尤其是营养液温度较高时，根系耗氧量增大，易形成明显的根际低氧逆境，而引发生育障碍，影响作物正常的生长发育，这已成为无土栽培技术大规模设施生产的主要限制因素。因此，根际氧环境对水培蔬菜研究有着极其重要的价值，根系吸收的氧主要来自于裸露在空气中的根(即悬根)所吸收空气的氧和生长在营养液中根所吸收营养液中的溶解氧[6]。悬根长越长，根际氧环境中的氧气含量越高[7]，水培蔬菜悬根处理会对植株的生长环境造成较大改变，这种改变多表现在增加了根际氧环境中氧气的含量，植物会运用外部和内部信号对环境的改变产生响应，这些信号是引起植物代谢途径的下调，最终导致植物形态结构等的调整和改变来改善或忍耐植株所遭受到的胁迫[8]。

在根际氧环境对蔬菜根系生长影响的研究中发现，富氧的根系环境可以显著提升莴苣根系活力，改善水培莴苣的品质[7]，此外在黄瓜和番茄[9]、生菜[10]、水稻[11]上也有相似的研究结论。可见，在蔬菜生产过程中，根际氧环境与蔬菜的生长有着极其密切的关系，调节根际氧环境对植物的生长有着一定的积极作用。工厂化叶菜类蔬菜水培生产过程中，管道式栽培是一种重要的栽培模式，本试验设计通过自制循环营养液系统模拟工厂化管道式栽培的方式筛选出较为合适的栽培方法，并对根际氧环境对水培尖叶莴苣生长的影响进行探究，设置不同根际氧环境处理，从形态学、根系微观结构、生理等方面研究根际氧环境对尖叶莴苣的影响，为尖叶莴苣的水培生产提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 植物材料及试验设备

试验供试材料为北京宜才园农业科技推广有限公司的‘油麦王’尖叶莴苣。试验设备为自制营养液循环系统，主要由LED补光灯、梯形水槽以及水泵组成(图1)。LED灯管长60 cm，距离梯形水槽高度为50 cm；LED灯管定时开关控制LED灯管光照时间，设置为8:30～20:30开，20:30～次日8:30关；梯形水槽长60 cm，纵截面为上宽下窄的等腰梯形，上底14 cm，下底10 cm，高7.5 cm，水槽距离地面高度40 cm；定植板长60 cm，宽12 cm，厚0.5 cm，板横向6个孔，纵向2个孔，定植板可定植尖叶莴苣12株；水泵功率12 W；营养液箱体积为4 500 cm3。调节阀调节进水速率，使营养液槽中的营养液实现动态平衡流动，流速为0.8 cm/s，且液面高度恒定在5.0 cm。进水管、出水管材质均为直径10 mm的橡胶软管；总开关控制所有设备的开闭。

流速计算公式(cm/s)=V/(S·t)。V是槽中液面恒定在5.0 cm时装载的营养液的总体积3 450 cm3，S是营养液液面的纵切面面积57.5 cm2，t是槽中营养液液面达到5.0 cm时所用的时间，为75 s，由此可得水槽内循环营养液流速为0.8 cm/s。

1.2 材料处理及设备调节

尖叶莴苣种子4 ℃低温春化4 h，28 ℃下浸种10 h，3 000 Lux光照、30 ℃条件下催芽至露白，沙培至两叶一心移栽至自制营养液循环系统(图1)中缓苗24 h，试验环境温度为14 ～ 20 ℃、湿度33% ～ 40%。试验设置3个处理，分别为循环营养液且悬根长度为0 cm (T1)、静止营养液且初始悬根长度为0 cm (T2)和循环营养液且悬根长度为2 cm (T3)。本试验通过循环营养液与悬根长改变根际氧环境，通过营养液的循环实现T1、T3营养液液面的恒定，保证悬根长度的稳定，T1定植板浮于营养液液面上，T2定植板卡在营养液液面处的高度，T3定植板架于水槽上(定植板距离液面2 cm)，使T1、T2、T3在试验开始时悬根长分别为0 cm、0 cm、2 cm，T1、T3因有营养液的循环使槽内营养液液面高度恒定，T2因无营养液的循环，营养液会逐渐被尖叶莴苣吸收和蒸发而导致液面下降，因此T2悬根长会逐渐增大。试验以尖叶莴苣缓苗完毕为第0 d，共处理10 d，期间取样测定采集相关指标数据。

1.3 测定指标及方法

1.3.1营养液中溶解氧含量、pH、EC值营养液中的溶解氧含量用雷磁便携式溶解氧测定仪(上海仪电科学仪器股份有限公司，型号为JPB-607A)进行测定，pH和EC值用高精度笔式pH计(深圳市柯迪达仪器仪表有限公司，型号为CT-6021A)测定。试验期间，各处理每间隔24 h测量1次，每个指标的测定进行3次重复，测定时间为14:00～15:00。

1.3.2根系、叶片形态学指标(1)根系悬根长度：悬根长度是指裸露在空气中的根系长度，测量时采用刻度直尺测量。T1高于营养液液面的不定根用刻度直尺测量记录为当天的悬根长度，T2悬根长直接用刻度直尺测量裸露在空气中的根系长度，T3悬根长由于营养液的循环一直保持2 cm。(2)根系形态参数：各处理随机选取3株，将待测根系清洗干净，于Epson Perfection 4990 PHOTO根系扫描仪中进行扫描，应用Win RHIZO根系分析系统对根系长度、表面积、根系体积、平均直径、根尖数、分根数等形态参数进行分析测定。(3)叶表面积：测定方法同根系形态参数。(4)壮苗指数、根冠比：各处理随机选取3株测量茎粗与株高，90 ℃烘干，称量根干重及叶片干重，用下面公式计算壮苗指数、根冠比。

壮苗指数=(茎粗/株高+根干重/地上部干重)×全株干重[12]

根冠比=根干重/地上部干重[12]

1.3.3根系显微结构观察将5%琼脂糖高温溶解，截取根系下端1 cm于溶解的琼脂糖中，固定冷却12 h，用全自动智能电脑切片机(上海艾测电子科技有限公司，型号为A130373)在根系根尖1 cm处进行横切切片，切片速度100 mm/s，切片厚度100 μm，利用倒置荧光显微镜(上海赖氏电子科技有限公司，型号为CKX41-32FL)对切片进行显微观察。

1.3.4根系抗氧化酶活性和丙二醛含量根系的SOD活性测定采用氮蓝四唑(NBT)法[13]，POD活性测定采用愈创木酚法[13]，CAT活性测定采用紫外分光光度法[13]，丙二醛(MDA)含量测定采用硫代巴比妥酸法[13]。

1.3.5叶片叶绿素相对含量和有机酸含量叶片叶绿素相对含量采用叶绿素仪(广州市科会仪器有限公司，型号为SPAD-502 Plus)进行测定。有机酸含量测定方法如下：第10天对各处理叶片随机取样，110 ℃烘干，研磨成粉末，过40目筛后，称取0.4 g于50 mL离心管中，加15 mL双蒸水，漩涡震荡混均，50 ℃超声提取20 min，8 000 r/min离心10 min，吸取上清液，重复提取3次合并滤液，然后于水浴锅中100 ℃蒸发浓缩至5 mL，得供试样品溶液。采用超高效液相-质谱联用仪(UPLC-MS)(美国WATERS公司，型号：ACQUITY UPLC®)进行叶片有机酸的分离与含量分析。UPLC-MS色谱条件如下，色谱柱：ACQUITY UPLC®BEH C18柱，2.1×100 mm，1.7 μm；流动相A：0.1%甲酸/水，流动相B：0.1%甲酸/乙腈；流速：0.25 mL/min；柱温：30 ℃；进样体积3 μL；检测波长210 nm；采用等梯度洗脱程序：0～6 min 99%体积浓度的0.1%甲酸/水+1%体积浓度的0.1%甲酸/乙腈；扫描方式：负离子扫描；积分方式：母离子积分。

测得标准曲线分别为：y苹果酸= 24 925x+ 5 835.7(R2= 0.995 4)；y柠檬酸= 34 446x+ 10 370(R2= 0.996 9)；y琥珀酸= 23 113x+ 1 014.3(R2= 0.993 6)；y丙二酸= 5 472.2x+ 231.13(R2= 0.990 8)。其中，x代表UPLC-MS中所测定有机酸的峰面积，y代表所测有机酸浓度(mg/mL)。

有机酸类物质含量测定公式如下：

1.4 数据处理

以上数据的各项指标均重复3次，DPS软件的LSD多重比较进行分析，差异显著性水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 各处理营养液指标和根系悬根长度比较

图2, A显示，随着处理时间的延续，T1处理营养液中的溶解氧含量在前3 d从7.9 mg/L降至6.3 mg/L，随后几天呈现幅度较小的波动变化；T2处理溶液中溶解氧含量呈现显著性下降的趋势，其溶解氧含量从第0天的7.9 mg/L下降至第10天的2.3 mg/L；T3处理溶解氧含量呈现缓慢下降的趋势，并且在3组处理中均处于最高水平，第10天时仅下降至6.8 mg/L。可见，3个处理营养液溶解氧含量呈现T3>T1>T2的趋势，说明循环流动和悬根长度的设置通过增加营养液与空气的接触面积，增加了营养液中的溶解氧。

T1.循环营养液且悬根长度为0 cm；T2.静止营养液且初始悬根长度为0 cm；T3.循环营养液且悬根长度为2 cm；下同图2 各处理营养液溶解氧(A)、pH(B)、EC(C)及根系悬根长(D)T1. Circulating nutrient solution with suspension length of 0 cm; T2. Stationary nutrient solution with initial suspension length of 0 cm; T3. Circulating nutrient solution with suspension length of 2 cm; The same as belowFig.2 Nutrient solution dissolved oxygen (A), pH (B), EC(C) and root suspension length(D) of different treatments

同时，从图2, B、C可知，3个处理营养液中pH和EC值都呈现先升后降再升的相同变化趋势且差异较小，说明营养液的循环与否对营养液自身的pH和离子总量影响不大，在试验周期内3个处理中营养液营养的供给充足，这可能与本自制营养液循环系统槽容纳的营养液总体积较大并且每个槽中定植(12株)尖叶莴苣数量不多，对营养吸收的需求也不多有关。

另外，图2,D显示，T1处理尖叶莴苣根系在前2 d一直处于液面以下，从第2天开始逐渐长出不定根，且不定根在液面之上，其高于营养液液面的不定根记录为当天的悬根长度，至第10天时不定根生长至营养液液面上0.5 cm，即此时T1悬根长度为0.5 cm。在此过程中，T2处理根系悬根长度由0 cm(第0天)变为3.1 cm(第10天)，但这是由于营养液的蒸发使得槽中营养液的体积逐渐下降，致使根系悬根长度逐渐增加；与此同时，T3处理根系悬根长度一直为2 cm，且第10天时T2、T3均无不定根，说明T1处理从第2天开始根系开始处于低氧胁迫状态，因此会生长出不定根突出液面以吸收更多的氧气。

此外，图3显示，3个处理尖叶莴苣幼苗根系和地上叶片形态在第0天时差异不大；在第10天时，T2、T3处理根系长势明显优于T1，表现为根系更为浓密、分根更多，地上部长势更强，尤其以T3长势最为突出，全株的长势也是T3最优。这反映出各处理的根际氧环境以T3最优，T2次之，T1最差并受到氧胁迫。有研究表明根际环境中，根系接触水的总体积占总根系体积的比率也会影响根际氧含量的大小，如洪涝灾害常使植物淹水缺氧造成植物的非生物胁迫，因此，本研究可通过3种不同根际氧环境处理进一步深入探讨根际氧环境影响植株生长的内部机制。

2.2 根际氧环境对尖叶莴苣根系、叶片形态学指标的影响

各处理根系根长、表面积、体积、平均直径、根尖数、分根数等形态学指标的测定结果(图4)表明，各个根系形态学指标于第0天时在处理间差异均不大，在第10天时处理间均表现为T3>T2>T1；T2、T3处理在根系根长、表面积、体积、平均直径、分根数等形态学指标上差异不大，但都与相应T1呈现显著性差异；第10天时，3组处理的分根数均差异显著，说明悬根长度对尖叶莴苣根系的影响很大。T1因根系一直浸没在营养液中，受到低氧胁迫，导致根系生长受阻；T2营养液溶解氧虽低于T1，但T2悬根长随试验时间的推移逐渐增加，且第10天T2长势明显优于T1，说明根际氧环境中空气中的氧气对根的调控作用更为明显，也说明生产中设置悬根长度的必要性；T3长势最佳，说明通过设置悬根长和循环营养液的方式可以明显改善根际氧环境，调节水气矛盾，提高尖叶莴苣的产量。

图3 不同根际氧环境下尖叶莴苣根系扫描图(A)以及全株图(B)Fig.3 Root scanning diagram(A)and whole plant figure(B)of lettuce under different rhizosphere oxygen environments

同时，各处理尖叶莴苣幼苗叶片表面积和叶片体积在第10天时也均表现为T3>T2>T1，且T2、T3显著大于T1，而T2、T3间无显著差异(图5)，即T2、T3尖叶莴苣地上部生长明显优于T1。植株地上部与地下部的生长关系密切，根系为植物生长提供水和矿物质，叶片光合作用产生能量供给植物的生长[14]，由于T2、T3根系长势优于T1，它们根系对营养的吸收效率更高，从而使其叶片面积以及叶片体积均高于T1。因此，在水培尖叶莴苣生产过程中，可以通过技术措施调节根际氧环境促进根系的生长，进而提高尖叶莴苣的产量。

图4 不同根际氧环境下尖叶莴苣根系形态学指标的变化Fig.4 Changes in root morphology of lettuce under different rhizosphere oxygen environments

图5 不同根际氧环境下尖叶莴苣叶片形态学指标的变化Fig.5 Changes of morphological indexes of lettuce leaves under different rhizosphere oxygen environments

2.3 根际氧环境对尖叶莴苣壮苗指数以及根冠比的影响

表1显示，尖叶莴苣生长至第10天时，3个处理植株的茎粗、株高、地上部干重、地下部干重及壮苗指数和根冠比均有明显差异，并且T3植株形态指标均最大，其次是T2，最后是T1，但T2与T3相比差异不显著，而T2、T3与T1相比均呈现显著性差异。说明根际氧环境也会影响尖叶莴苣植株长势，通过调节尖叶莴苣根际氧环境可以增强根系机能活性，提高尖叶莴苣的长势。

2.4 根际氧环境对根系微观结构的影响

维管束是进行营养物质运输的关键组织[15]，木质部具有运输离子、水分和支撑植物的作用[16]。尖叶莴苣根系横切切片的显微观察(图6)显示，其根系维管束以及木质部的面积大小表现为T3>T2>T1，即T2、T3处理可以明显增大根系维管束以及木质部的面积，说明调节根际氧环境及使根系部分裸露在空气中，可以促进根系水分及营养运输功能组织的生长，进而运输更多的水分以及营养供给尖叶莴苣的生长。

2.5 根际氧环境对尖叶莴苣生理生化指标的影响

植物细胞能利用系统的抗氧化防御机制来消除活性氧的不利作用[17]，SOD能将氧自由基清除而形成过氧化氢，POD和CAT可以把过氧化氢变成水，MDA含量高低可以反映细胞受到胁迫的严重程度[18]。各处理尖叶莴苣根系SOD、POD、CAT活性及MDA含量、叶绿素相对含量受根际氧环境影响的表现相似(图7)。在处理第0天时，尖叶莴苣根系SOD、POD、CAT活性及MDA含量、叶片叶绿素相对含量均较低且处理间均无显著性差异；在处理第10天时，T1处理根系的SOD、POD、CAT活性和MDA含量均不同程度地高于T2、T3处理，且CAT活性、MDA含量差异达显著性水平(P<0.05)；同时，T1处理叶片叶绿素相对含量却显著低于T2、T3处理。由此可见，尖叶莴苣根系在低氧胁迫逆境(T1)中通过提高SOD、POD、CAT3种抗氧化酶活性(尤其是CAT)来降低低氧逆境诱导的过氧化伤害，但处理10 d时已不足以完全清除过量活性氧，使MDA含量增加，发生过氧化伤害，同时其叶片叶绿素的合成则可能受到显著抑制。

2.6 根际氧环境对尖叶莴苣叶片有机酸含量的影响

有机酸作为蔬菜中的特有成分，它的种类和含量既和蔬菜的风味、品质有关，又为蔬菜加工贮藏提供重要依据[19]，是一个重要的品质指标。表2显示，在处理第10天时，尖叶莴苣叶片中苹果酸、琥珀酸、丙二酸的含量在T2与T3处理间差异不显著，4种有机酸含量基本上均表现为T2、T3高于T1，说明通过改善根际氧环境可以提升尖叶莴苣苹果酸、柠檬酸等有机酸的含量。同时，T2处理叶片柠檬酸、琥珀酸含量最高，T3处理叶片苹果酸、丙二酸含量最高，又说明根际氧环境的不同在一定程度上也会影响有机酸生成的类别，从而影响莴苣品质。

表1 不同根际氧环境下尖叶莴苣在第10天植株形态指标

注：同列数字后不同字母表示处理间差异达0.05显著水平;下同

Note: After the same column number, the different letters between the treatments reached a significant difference at 0.05 level; The same as below

红色箭头指示维管束部位；黑色箭头表示木质部部位图6 不同根际氧环境下尖叶莴苣根系横切图The red arrows indicate the vascular bundle; the black arrows indicate the xylemFig.6 The root crosscutting of lettuce plant under different rhizosphere oxygen environments

图7 不同根际氧环境下根系POD、CAT、SOD活性和MDA含量以及叶片叶绿素相对含量的变化Fig.7 The POD, CAT, SOD activities and MDA content of roots and relative chlorophyll content in leaves of lettuce plant under different rhizosphere oxygen environments

3 讨 论

根系吸收的氧气，少量由地上部经输导组织运输到根系，大部分则来自于根系吸收的氧，裸露在空气中的根吸收空气中的氧气，营养液中的根吸收营养液中的氧气[6]。本试验中，T1、T3营养液的溶解氧随着处理天数的增加逐渐高于T2，第0～10天，T1、T2、T3溶解氧都从7.9 mg/L分别下降至6.3 mg/L、2.3 mg/L、6.8 mg/L，T1、T3溶解氧差异不大但都显著高于T2，说明循环流动增加了营养液中的溶解氧，循环流动增加了营养液与空气的接触面积以增加溶解氧。本试验中3个处理的pH和EC值变化趋势相同，说明营养液的循环与否对营养液自身的pH和离子总量影响不大，在试验周期内3个处理中营养液营养的供给充足，这可能与本自制营养液循环系统的槽容纳的营养液总体积较大并且每个槽中定植(12株)尖叶莴苣数量不多，对营养吸收的需求也不多有关。

T1临近营养液液面部位第2天开始生长出不定根，表明T1逐渐处于低氧胁迫状态，第10天不定根生长至营养液液面上0.5 cm，而T2、T3没有不定根出现。在棉花营养液漂浮育苗技术[20]中也有类似情况出现，谢云韵等[21]也报道低氧胁迫条件会促进油菜幼苗不定根生长。本试验中T1根系随着试验天数的增加，低氧胁迫也越来越明显，各处理第10天根系和叶片的生长长势表现一致，均为T3>T2>T1；第10天，T3与T2在根系长度、根系表面积、根系体积、平均直径、根尖数、叶片表面积和叶片体积上均无显著性差异，但T2与T1、T3与T1之间在根系和叶片各形态学指标上均存在显著性差异，且T3在茎粗、株高、根干重、地上部干重、壮苗指数、根冠比上均最大，T3壮苗指数和根冠比分别比T1显著增加了38.8%和13.4%，说明低氧胁迫对水培尖叶莴苣地上部和地下部均有着明显的抑制作用。前人的研究中也有相似的结论，如低氧胁迫对水稻[22]、黄瓜[23]的根系及叶片的生长均有着显著的抑制作用；水稻根区通氧对水稻幼苗的生长产生了一定的积极影响[24]；但宋卫堂等[25]在番茄长季节栽培的研究中发现充氧与否对番茄长势、产量没有影响，这与本试验结论不一致，这可能是由于试验材料不同造成的，因为尖叶莴苣是浅根性蔬菜，根系对氧气含量的多少更为敏感，而番茄为直根系蔬菜，在长季节栽培中根系对氧气敏感性相对较弱。徐志豪和张德威[26]认为营养液中的溶解氧含量越高，裸露于空气的根系所占的比例越大，作物根系的生长就越好。本试验T2处理根系裸露在空气中的比例随天数的增加而增大，T3悬根长度固定，T2、T3悬根长度在第7天相等，随后T3悬根长逐渐增加，虽然T3根系各形态学指标、叶表面积以及叶绿素相对含量均高于T2，但差异不显著。

表2 不同根际氧环境下第10 天尖叶莴苣叶片有机酸含量的变化

维管束是进行营养物质运输的关键组织[15]，木质部具有运输离子、水分和支撑植物的作用[16]。本试验中的根系显微结构观察发现，各处理尖叶莴苣根系维管束及木质部面积大小顺序为：T3>T2>T1，即T2、T3处理可以增大根系维管束以及木质部的面积，说明通过调节根际氧环境，以及使根系部分裸露在空气中，可以促进根系水分及营养运输功能组织的增大，进而运输更多的水分以及营养供给尖叶莴苣的生长。

根际氧环境较低时尖叶莴苣根系会调节根系抗氧化酶活性来调节根系的生长，T1根系在低氧胁迫状态下会通过提高SOD、POD、CAT3种抗氧化酶活性以适应低氧逆境，这是根系在逆境条件下的一种防御机制，这与刘义玲等[27]低氧胁迫处理网纹甜瓜和马月花等[23]低氧胁迫黄瓜的研究结论相同。另外，本试验中根际氧环境的差异造成了尖叶莴苣叶片有机酸种类和含量的差异，叶片中的有机酸主要来源于三羧酸循环和乙醛酸循环[28]，因此进一步推测根际氧环境的差异可能影响三羧酸循环和乙醛酸循环进而造成了地上部有机酸含量的差异。

低氧胁迫对水培尖叶莴苣地上部和地下部均有着明显的抑制作用。综上所述，本试验通过自制循环营养液系统，通过设置3个根际氧环境处理，探究根际氧环境对尖叶莴苣幼苗生长、生理和品质的影响。结果发现，在水培尖叶莴苣生产上设置悬根长度以增加根系与空气接触面积，增加根际氧环境，可以很好地解决水培生产中的水气矛盾，在一定程度上提升尖叶莴苣的产量与品质。本试验虽然得出增加根际氧环境的必要性并对其作用机理进行一定的探究，但仍有一些不足之处，比如未能探究哪种悬根长度对水培尖叶莴苣的作用效果最好，本试验结果为进一步探究根际氧环境对水培尖叶莴苣生长的影响提一定供理论基础。