《Plants》：Environmental and Cultivation Effects on Growth and Phytochemical Profiles of Chicory (Cichorium intybus L.) in Soil, Hydroponics, and Aquaponics
Lorenzo Maria Curci,
Sara Carrozzo,
Gabriele Pecatelli,
Teodoro Semeraro,
Cosimo Tafuro,
Marcello Salvatore Lenucci and
Monica De Caroli
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为应对可持续食物生产的需求，研究人员在生长室和温室两种环境中，对比研究了菊苣在土壤、水培和鱼菜共生三种栽培体系下的生长表现、生物量积累及抗氧化物质含量。研究发现，生长环境是影响菊苣表现的主要驱动因素，温室环境更利于生物量积累，而水培系统产量最高，鱼菜共生则能诱导植物产生更高的抗氧化活性。这为在受控农业中定向调控作物营养品质提供了新见解。
随着全球人口增长、气候变化加剧以及对可持续农业实践的需求日益迫切，如何高效、稳定地生产出高产且营养丰富的食物，已成为现代农业面临的巨大挑战。传统土壤农业受制于天气、土地资源和水肥利用效率，而新兴的受控环境农业（CEA）和“无土栽培”技术，如水培和鱼菜共生，则为解决这些问题带来了希望。它们承诺更高的资源利用率、更少的环境影响以及可全年生产的能力。但一个核心问题随之浮现：在理想条件下，究竟是生长环境（如完全人工调控的生长室 vs. 自然波动的温室）对作物表现影响更大，还是栽培系统（如传统的土壤种植 vs. 先进的水培/鱼菜共生）更为关键？不同系统对作物，特别是那些富含功能性成分的药用或特菜作物的营养品质有何不同影响？
为了回答这些问题，来自意大利萨兰托大学的研究团队Lorenzo Maria Curci, Sara Carrozzo等人，在《Plants》 期刊上发表了一项详尽的研究。他们选择了当地特色品种菊苣“Otrantina”，精心设计了一个涵盖两种环境（生长室与温室）和三种栽培系统（土壤、水培、解耦鱼菜共生）的对比实验。经过45天的培育，他们对菊苣的形态、解剖结构、生物量以及一系列关键的生物化学成分进行了全面的分析。这项研究不仅量化了不同组合下的生长差异，更深入揭示了其背后的生理与代谢适应机制，为优化受控环境农业生产策略提供了宝贵的科学数据。
本研究采用了一系列标准化的生物学与农学分析技术。植物材料与处理：研究使用菊苣“Otrantina”品种，在两种环境（恒温恒湿光照的生长室、自然波动的温室）和三种栽培系统（土壤盆栽、循环水培、基于罗非鱼养殖废水的解耦鱼菜共生）下生长45天。形态与解剖学分析：通过图像分析软件（ImageJ）测量叶面积、周长、根表面积和最大根长；通过石蜡切片和显微镜成像分析叶片横切面的解剖结构，如维管束和溶生腔面积。生物量与生理生化测定：测量叶片鲜重和干重以计算生物量和水含量；采用分光光度法测定叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、总酚和类黄酮含量；采用Trolox等效抗氧化能力测定法评估甲醇提取物、缩合单宁和水解单宁的抗氧化活性；通过比色法测定可溶性与不可溶性多糖、总蛋白质，并通过有机溶剂提取和称重法测定总脂质含量。环境监测：在温室中持续记录空气温度、相对湿度和光照强度。统计分析：使用单因素方差分析和Tukey事后检验分别对两种环境下不同栽培系统的数据进行显著性差异分析。
研究结果如下：
2.1. 菊苣植株形态
生长环境是主要驱动因素。无论在哪种栽培系统中，温室生长的菊苣在叶面积、周长、根表面积等形态指标上均显著优于生长室植株。在相同环境下，水培系统通常支持最旺盛的营养生长，而鱼菜共生系统的植株叶片较小，但表现出显著的根系伸长，这可能反映了其营养液的不稳定性。叶片横切面显示，温室条件促进了更发达的叶肉组织和更大的维管束，鱼菜共生和温室水培的叶片中出现了更多、更大的溶生腔，这可能是一种对环境或栽培胁迫的适应反应。
2.2. 可食用生物量生产
生物量结果与形态观察一致。温室土壤和水培植株的鲜重和干重最高，而温室鱼菜共生植株的生物量最低。生长室中所有系统的生物量均远低于温室。叶片含水量在所有处理中均较高。
2.3. 生物化学特性
2.3.1. 初级代谢产物
可溶性多糖含量在温室鱼菜共生植株中达到最高。在生长室条件下，水培和鱼菜共生植株的蛋白质含量高于土壤植株，但在温室中这种差异消失。无土栽培（水培和鱼菜共生）在两种环境下均比土壤栽培积累了更高的总脂质含量。
2.3.2. 叶绿素和类胡萝卜素定量
叶绿素a含量在生长室水培植株中最高。叶绿素a/b的比值在不同环境和系统间呈现不同模式：在生长室，水培植株比值最高；在温室，土壤植株比值最高。类胡萝卜素含量在不同处理间无显著差异。
2.3.3. 次生代谢产物和抗氧化活性
抗氧化活性和次生代谢产物的积累显著受环境与系统共同影响。在温室中，鱼菜共生植株的甲醇提取物抗氧化活性、缩合单宁和总酚含量均显著高于水培和土壤植株。然而，类黄酮含量却在温室土壤植株中达到最高。在生长室中，各系统间的这些指标无显著差异。
2.4. 非生物条件
环境监测数据揭示了温室条件的多变性：日间温度在16.2°C至38.4°C之间波动，相对湿度在43.8%至75.8%之间，光照强度在7.8至45.8 kLux之间剧烈变化。这与生长室稳定、可控的环境形成鲜明对比。这种环境波动被认为是促使温室植株，特别是鱼菜共生植株，积累更多抗氧化应激次生代谢产物的关键因素。
结论与讨论部分对上述发现进行了整合与阐释。本研究明确指出，在所测试的条件下，生长环境（温室 vs. 生长室）是决定菊苣生长表现和代谢谱的首要因素，其影响力常常超过栽培系统本身。温室中更高的光照强度和波动的温湿度促进了植物的形态发育和生物量积累。在系统内部比较中，水培系统凭借其稳定的营养供应，被证明是获得最高生物量和叶片品质的最有效系统。而鱼菜共生系统虽然展现了实现循环农业的潜力，但其不稳定的养分（特别是pH值波动）可能诱导了植物的胁迫响应，表现为根系过度伸长、叶片生长受限，但同时伴随着酚类抗氧化物质含量的显著提升，这反映了一种将同化产物从生长转向防御的代谢重编程。
研究揭示了两种互补的代谢适应策略：鱼菜共生系统通过（可能是养分胁迫诱导的）应激反应，促进了总酚和抗氧化剂的广泛积累；而土壤栽培则可能通过根际-微生物组的相互作用，特异性促进了类黄酮的生物合成。这突显了菊苣次生代谢对环境与栽培因素的双重敏感性。
从农学和营养学角度来看，这些发现具有重要实践意义。水培适用于追求稳定、高产的生产目标。鱼菜共生在优化养分管理和pH控制后，有望成为生产高抗氧化活性功能食品的优选系统。而土壤栽培在维持特定次生代谢物（如类黄酮）谱系方面具有独特价值。研究强调，在设计和优化这些生产系统时，不仅要关注养分流动，更要主动调控环境条件（如光照、温湿度），找到成本、产量和产品营养功能品质之间的最佳平衡点，从而为实现可持续、高质量的特菜作物生产提供精准的策略依据。
