摘要
硒(Se)是人体健康所必需的元素，但在许多地区的饮食摄入量仍然不足，增加了人们对生物强化策略的兴趣。室内水培系统提供了一种受控且资源高效的方法来生产富含硒的叶菜。硫(S)是植物必需的大量营养素，由于其与硒的化学相似性，会影响硒的吸收和代谢。在本研究中，我们调查了硒补充(2 µM Na₂SeO₄)在两种硫水平(0.65和1.3 mM，以MgSO₄形式提供)下对在室内营养膜技术(NFT)系统中生长的生菜、火箭菜和罗勒中硒积累、产量和营养质量的影响。高硫供应使生菜和罗勒的生物量分别增加了16%和25%，而火箭菜不受影响。硒对生物量的影响取决于硫状态和物种。在低硫条件下，硒增加了生菜的生物量但减少了罗勒的生物量，而在高硫条件下没有观察到显著影响。硫在所有物种中强烈降低了硒的积累，导致对推荐每日允许量(RDA)的贡献降低。在低硫条件下，硒生物强化的生菜、火箭菜和罗勒每份分别提供了RDA的111%、179%和37%，而在高硫条件下，这些值分别下降到56%、64%和20%。硫和硒处理也以物种依赖的方式影响宏量和微量营养素组成。硒补充一致地降低了所有物种中的总酚含量和抗氧化能力(DPPH和FRAP)。总抗坏血酸仅在火箭菜中受到影响，在无硒的高硫条件下达到最高水平。这些发现强调了水培系统中硫和硒之间明显的拮抗相互作用，并证明了在室内系统中生长的叶菜中平衡产量和硒生物强化同时不损害营养质量的必要性。
关键词：罗勒；生物强化；生菜；营养质量；火箭菜；硒；无土栽培；硫；垂直农场；产量
1. 引言
由于人口增长、气候多变和肥沃耕地稀缺，对可持续和资源高效食品生产系统的需求不断增加[1,2]。受控环境农业(CEA)，包括水培和垂直农场，被认为是解决这些挑战的有前景的方法[3,4,5]。在水培系统中，营养膜技术(NFT)因其对水和养分的高效利用以及适合城市和空间有限的环境而被广泛使用[6,7]。
叶菜非常适合室内生产系统，因为它们具有短生长周期、紧凑的大小以及对受控条件的适应性[8,9]。叶菜被认为是营养密集型食品，提供必需矿物质、维生素和生物活性化合物，如类黄酮、类胡萝卜素和硫代葡萄糖苷，这些与多种健康益处相关[10,11,12,13,14]。作为健康饮食的主食，叶菜的营养状况会根据根区可用的营养素而有很大差异。土壤或水培溶液中的浓度可以被控制，以有意提高蔬菜叶中某些矿物质[15]。
生物强化作为一种提高作物微量营养素缺乏和改善营养质量的策略越来越受到关注[16]。硒(Se)是人类必需的微量元素，是硒半胱氨酸和硒蛋氨酸等含硒蛋白的组成部分[17,18]。它在免疫功能、生育能力、甲状腺调节和抗氧化防御中发挥重要作用[19,20,21,22]。然而，由于土壤中硒的可利用性低，许多地区的膳食硒摄入量仍然不足[23]。
与基于土壤或叶面的方法相比，水培系统为硒生物强化提供了优势，因为它们允许精确控制养分供应，并避免了与土壤特性(如pH和氧化还原条件)相关的变异性[24,25]。此外，水培中的连续养分输送使硒在相对低的浓度下也能被高效吸收[26]。叶菜特别适合硒生物强化，因为它们能够在可食用组织中积累硒[18]。然而，积累能力因属、种甚至种内生态型而异[23]。虽然生菜(Lactuca sativa L.)和罗勒(Ocimum basilicum L.)表现出中等、非积累型的特征，但属于十字花科的火箭菜(Diplotaxis tenuifolia)以其高硒积累能力而闻名[27]。这部分与它的高硫(S)含量以及通过硫酸盐转运体吸收硒有关[16,23]。
硫是植物生长的必需元素，是氨基酸、维生素和辅因子的组成部分，在次生代谢物(如硫代葡萄糖苷)的合成中发挥作用[28,29,30]。由于它们的化学相似性，硫和硒在植物中共享共同的吸收和同化途径[31,32]。因此，它们的相互作用可能是协同的或拮抗的，影响营养素吸收、代谢以及生物活性化合物的积累[31,33]。这些相互作用也可能影响植物生长和作物的营养质量[30,34,35]。
然而，在室内NFT条件下硫供应与硒生物强化之间的相互作用仍未得到充分了解，特别是在不同的叶菜物种之间。室内水培方法消除了土壤基质的干扰，使根区离子相互作用的精确研究成为可能。此外，在受控环境农业(CEA)的加速生长动态下，硫-硒交叉-talk的精确阈值需要更深入的调查。我们假设增加硫供应会通过硫酸盐和硒酸盐吸收途径之间的竞争减少可食用组织中的硒积累，而对产量和营养质量的影响将因叶菜物种而异，这是由于它们硫代谢的差异。因此，本研究的目的是调查硒补充和硫供应对在室内NFT系统中生长的生菜、火箭菜和罗勒的生长、硒积累、矿物质组成、硝酸盐浓度、抗氧化能力和抗坏血酸含量的单独和综合影响。
2. 材料和方法
2.1. 植物材料、生长环境和条件
实验使用三种叶菜物种进行：生菜(Lactuca sativa L. cv. Levistro Rz)、罗勒(Ocimum basilicum)和火箭菜(Diplotaxis tenuifolia)。种子在椰糠中播种并在发芽室中发芽三天。发芽后，幼苗被转移到位于土耳其科泽技术大学(GTU)校园内的室内垂直营养膜技术(NFT)系统中。该系统完全与外部环境隔离。环境参数被精确控制并针对每个物种进行了优化。生菜和火箭菜在24°C/20°C(日/夜)温度、70%相对湿度、18/6小时光周期以及220 µmol m⁻² s⁻¹光合光子通量密度(PPFD)下培养，使用LED光谱R88/B12/FR6(Signify Philips，荷兰埃因霍温)。CO₂水平保持在800-900 ppm。罗勒植株在单独的环境下生长，温度为28°C/24°C(日/夜)、80%相对湿度、16/8小时光周期、260 µmol m⁻² s⁻¹ PPFD，同时保持与生菜和火箭菜相同的光谱和CO₂条件。生菜和罗勒在转移到NFT系统后28天收获，火箭菜则在21天后收获。
2.2. 实验设计和处理
实验以2×2因子设计进行，有两个硒(Se)水平(0和2 µM)和两个硫(S)水平(0.65 mM，低硫；1.3 mM，高硫)通过营养液施加。亚硒酸钠(Na₂SeO₄)和七水硫酸镁(MgSO₄·H₂O)分别用作硒和硫的来源。在发芽后最初的10天内，不施加硒。此后，植物被转移到单独的NFT架子上，并开始硫和硒处理。所有植物持续用含有9.3 mM Ca(NO₃)₂·4H₂O、2.7 mM KNO₃、0.7 mM KH₂PO₄、0.3 mM KCl、50 µM Fe-EDTA、5 µM ZnSO₄·7H₂O、5 µM MnSO₄·H₂O、1 µM CuSO₄·5H₂O、20 µM H₃BO₃和0.5 µM (NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O的营养液灌溉。电导率(EC)在低硫条件下保持在1.45 dS m⁻¹，在高硫条件下保持在1.55 dS m⁻¹。营养液的pH值通过硝酸自动调节并保持在5.8。每种处理包含五个生物重复(n = 5)。
2.3. 消化和矿物分析
元素分析的样品消化按照Ceylan等人(2016)的方法进行[36]。将干燥并精细研磨的植物样品(0.2 g)与5 mL 65%硝酸(HNO₃)和2 mL 30%过氧化氢(H₂O₂)一起使用微波消解系统(Mars Express；CEM Corp.，美国Matthews)进行消解。消解后，体积调整至20 mL并用超纯水稀释，溶液经过滤。使用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES；Agilent 5800 VDV，Agilent Technologies，美国Santa Clara)测定选定的大量营养素(Ca、K、Mg、P和S)和微量营养素(Cu、Fe、Mn、Se和Zn)的浓度。硒浓度使用配备氢化物发生系统的ICP-OES单独测定。
2.4. 叶绿素和总类胡萝卜素浓度
按照Lichtenthaler(1987)的方法测定叶绿素和类胡萝卜素含量[37]。将新鲜冷冻的植物样品以1:5(鲜重/溶剂mL)的比例用80%(v/v)丙酮提取，并用机械均质器均质。提取物在4°C下以7500 rpm离心15分钟，然后以12,000 rpm再离心15分钟。上清液用于分光光度分析。在470 nm、646.8 nm和663.2 nm处测量吸光度，并使用标准方程计算叶绿素a、叶绿素b和总类胡萝卜素浓度：
Ca = 12.25 × A 663.2 − 2.79 × A 646.8
Cb = 21.5 × A 646.8 − 5.1 × A 663.2
Cx + c = (1000 A 470 − 1.82 × Ca − 85.02 × Cb)/198
2.5. 硝酸盐分析
按照Cataldo等人(1975)的方法比色测定硝酸盐浓度[38]。简言之，将0.1 g精细研磨的干植物材料用10 mL去离子水在70°C下提取30分钟，随后在4600 rpm下离心15分钟。上清液与浓H₂SO₄中的水杨酸反应，然后加入NaOH。冷却后，在410 nm处测量吸光度。使用KNO₃标准品在相同条件下处理进行校准。
2.6. 总维生素C浓度
按照Gillespie等人(2007)的方法测定总抗坏血酸[39]。植物样品以1:5(鲜重/溶剂mL)的比例用5%(w/v)偏磷酸提取。为了测定总抗坏血酸，使用二硫苏糖醇(DTT)将脱氢抗坏血酸还原为抗坏血酸，随后用N-乙基马来酰亚胺(NEM)稳定。使用FeCl₃和2,2'-联吡啶试剂进行显色，并在525 nm处测量吸光度。
2.7. 总酚含量和抗氧化能力
植物样品使用70%(v/v)甲醇以1:5(鲜重/溶剂mL)的比例提取。提取物涡旋混合，在4°C下以7500 rpm离心15分钟，上清液用于分析。
2.7.1. 总酚含量(TPC)
总酚含量使用Folin–Ciocalteu方法测定[40]。简言之，将0.1 mL提取物与0.4 mL 10% Na₂CO₃、0.4 mL 0.5 N Folin–Ciocalteu试剂和0.6 mL蒸馏水混合。在室温下避光孵育30分钟后，在760 nm处测量吸光度。结果表示为没食子酸当量(GAE)。
2.7.2. DPPH自由基清除活性
DPPH测定按照Brand-Williams等人(1995)的方法进行[41]。将100 µM DPPH溶液与样品或Trolox标准品在甲醇中混合。在室温下避光孵育120分钟后，在515 nm处测量吸光度。结果表示为Trolox当量。
2.7.3. 铁还原抗氧化能力(FRAP)测定
FRAP测定按照Benzie和Strain(1996)的方法进行[42]。FRAP试剂通过将乙酸盐缓冲液(300 mM，pH 3.6)、TPTZ(10 mM)和FeCl₃·6H₂O(20 mM)以10:1:1的比例混合制备。反应混合物在37°C下孵育30分钟，在593 nm处测量吸光度。结果表示为Trolox当量。
2.8. 统计分析
使用JMP软件(版本18)进行统计分析。使用双向方差分析(ANOVA)在95%置信水平上确定处理及其相互作用对报告性状的总体显著性。使用Tukey的诚实显著差异(HSD)检验(p < 0.05)进行均值的成对比较。
3. 结果
图1展示了在室内垂直NFT(营养膜技术)系统中生长的叶菜的地上部形态，比较了在低硫和高硫条件下硒处理和未处理的植物。硫和硒对生长参数的主要和交互效应的统计显著性总结在表1中，而平均值显示在表2中。生菜和罗勒的地上部鲜重(FW)受硫、硒及其相互作用的显著影响，而火箭菜的鲜重不受任何处理的影响(表1和表2)。高硫使生菜和罗勒的地上部鲜重分别增加了16%和25%。硒对鲜重的影响取决于硫状态和物种。在高硫条件下，硒对鲜重没有影响，而在低硫条件下，它使生菜鲜重增加了13%，但使罗勒鲜重减少了14%。地上部干重(DW)对硫和硒的响应也在表1和表2中呈现。在生菜中，地上部干重仅受硫影响，在高硫条件下干重值更高。在火箭菜中，地上部干重受硫和硫×硒交互作用的影响，在高硫条件下干重降低，无论硒水平如何，而在低硫条件下硒增加了干重，但在高硫条件下减少了干重。在罗勒中，硫和硒对地上部干重都有显著影响，高硫增加了干重，而硒在两种硫条件下都降低了干重。
干物质比率(DMR)和根干重的响应在表1和表2中呈现。在生菜中，DMR受硒和硫×硒交互作用的显著影响。在低硫条件下，硒将DMR从4.80%降低到4.25%，而在高硫条件下没有显著影响。在火箭菜中，硫、硒及其交互作用都显著影响DMR，在低硫条件下硒增加了DMR，但在高硫条件下没有影响。在罗勒中，尽管方差分析表明硫×硒交互作用显著，但事后比较未显示处理间的显著差异。根干重响应也因物种而异。在生菜中，方差分析表明硒有主要效应，但该效应未得到事后比较的支持。在火箭菜中，硒和硫×硒交互作用都显著影响根干重，在两种硫水平下硒都增加了根干重，且在高硫条件下的增幅更为明显。在罗勒中，硫和硒都有显著的主要效应，高硫条件下根干重高36%，而硒应用使根干重降低了17%。
图2展示了所有物种的地上部硫浓度和每份硒含量，统计显著性总结在表1中。地上部硫浓度在物种间存在差异，火箭菜显示出最高值。在生菜中，地上部硫浓度受硫和硒的显著影响，高硫供应条件下硫浓度更高。在火箭菜中，只有硒对地上部硫浓度有显著影响，而硫没有影响。在罗勒中，尽管方差分析表明硫有显著影响，但事后比较未显示处理间的明显差异。硒含量仅在硒处理的植物中检测到。根据方差分析，所有三个物种的地上部硒含量受硫、硒及其交互作用的显著影响。硒应用导致所有物种中硒的大量积累，火箭菜显示出最高含量，达到每20 g鲜重(相当于一份)高达100 µg。高硫供应显著降低了所有物种中的地上部硒含量，降幅高达约50%。在低硫条件下，一份生菜和火箭菜超过了推荐每日摄入量(RDA)，而罗勒则低于该阈值。在高硫条件下，所有物种的硒含量都降低，导致对RDA的贡献低于或接近推荐水平。
生菜、火箭菜和罗勒的大量营养素浓度在表3中给出。在生菜中，地上部钙(Ca)浓度受硫和硫×硒交互作用的显著影响，高硫条件下特别是在无硒时钙浓度更高。地上部钾(K)和镁(Mg)浓度受硫、硒及其交互作用的显著影响，而磷(P)浓度仅受交互作用影响。高硫使K浓度降低了17%，而硒在低硫条件下使K浓度增加了11%，但在高硫条件下没有影响。Mg浓度在高硫条件下增加了71%，而硒在高硫条件下使Mg浓度降低了11%，但在低硫条件下没有影响。最高的P浓度(8.83 g/kg干重)在低硫无硒条件下观察到。在火箭菜中，地上部钙浓度不受硫或硒处理的影响。然而，硫显著影响K、Mg和P浓度，高硫增加了Mg(20%)但减少了P(12%)。尽管方差分析表明高硫下K降低，但事后比较未确认显著差异。硒仅显著影响P浓度，在硒应用下P浓度降低了7%。在罗勒中，地上部钙浓度仅受硒影响，在硒应用下钙浓度高9%。地上部K浓度受硫、硒及其交互作用的显著影响，导致在低硫条件下K减少13%，但在高硫条件下增加9%。Mg浓度在高硫条件下增加了26%，而P浓度在低硫无硒条件下最高，达到8.09 g/kg干重。
微量营养素浓度总结在表4中。在生菜中，地上部铜(Cu)浓度不受硫或硒处理的影响。地上部铁(Fe)浓度受硫、硒及其交互作用的显著影响，最高值在高硫无硒条件下观察到，高达191 mg/kg干重。地上部锰(Mn)浓度受硫和硒的显著降低，而地上部锌(Zn)浓度仅受硒影响，在硒应用下Zn浓度降低了10%。在火箭菜中，硫和硒都显著影响Cu、Fe和Mn浓度，高硫增加了这些元素(22–40%)，而硒降低了Cu和Fe(16%、33%)但增加了Mn(18%)。地上部Zn浓度仅受硫影响，在高硫条件下Zn浓度降低了44%。在罗勒中，地上部Cu和Fe浓度受硫、硒及其交互作用的显著影响。高硫使Cu浓度增加了5%，无论是否有硒，而硒在低硫条件下使Cu浓度从11.7降低到10.5 mg/kg干重。地上部Fe浓度在低硫有硒条件下最高，达到120 mg/kg干重。地上部Mn浓度受硫和硒的影响，在高硫无硒条件下最低。地上部Zn浓度受硫×硒交互作用影响，硒在低硫条件下使Zn降低了20%，但在高硫条件下增加了18%。
图3展示了在不同硫和硒处理下生菜、火箭菜和罗勒的地上部硝酸盐浓度。在生菜中，硝酸盐浓度仅受硒的显著影响，在硒应用下硝酸盐浓度更高。在火箭菜中，硝酸盐浓度受硫和硒的影响，在低硫有硒条件下观察到最高值。在罗勒中，方差分析表明硫有显著影响；然而，事后比较未显示处理间的显著差异。
图4总结了在不同硫和硒处理下生菜、火箭菜和罗勒的叶绿素a和叶绿素b浓度、它们的比率、总叶绿素和总类胡萝卜素含量。在生菜中，硫显著增加了叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素浓度(分别增加33%、27%和32%)，而硒对这些参数没有显著影响，硫或硒对叶绿素a/b比率或总类胡萝卜素浓度也没有影响。在火箭菜中，叶绿素a、叶绿素a/b比率和总叶绿素受硫、硒及其交互作用的显著影响，在高硫无硒条件下观察到最高值，而总类胡萝卜素浓度在高硫应用下显著增加了27%。在罗勒中，硫或硒对叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a/b比率、总叶绿素或总类胡萝卜素浓度没有显著影响(表1和图4)。
图5显示了在不同硫和硒处理下生菜、火箭菜和罗勒中的总抗坏血酸(AsA)、总酚含量(TPC)以及通过DPPH和FRAP测定法测量的抗氧化能力。在生菜和罗勒中，总AsA浓度不受硫或硒的显著影响。在火箭菜中，硫和硒对AsA都有显著影响，在高硫无硒条件下观察到最高水平。在生菜中，DPPH和FRAP值高度相关(R² = 0.95)，它们也与TPC高度相关(R² = 0.90)，在低硫无硒条件下观察到较高值。在火箭菜中，DPPH和FRAP之间的相关性(R² = 0.65)以及DPPH和TPC之间的相关性(R² = 0.64)是中等的，而FRAP和TPC高度相关(R² = 0.95)，在高硫条件下抗氧化能力更高，而硒降低了TPC和FRAP值。在罗勒中，DPPH和TPC显示出较弱的相关性(R² = 0.57)，而FRAP与DPPH(R² = 0.95)和TPC(R² = 0.81)高度相关，在高硫条件下抗氧化能力增加，而硒降低了它。
4. 讨论
本研究旨在开发室内NFT系统中富硒功能性蔬菜，从而提高生产力和质量，同时调查营养液中硫浓度对这种富集过程的影响。结果表明，不同硫水平下硒处理对植物生长反应(包括地上部FW和DW、DMR和根DW)因物种而异(表1和表2)。在低硫条件下，硒处理对生菜和罗勒的鲜生物量有显著影响，促进生菜生长但减少罗勒生长，而在高硫条件下未观察到显著影响。植物物种可能因耐受机制的差异而对微量元素处理做出不同反应。如Puccinelli等人(2022)所报告，相同剂量的硒应用不会改变生菜的鲜生物量，但显著抑制了罗勒的生长[44]。这种毒性效应可能归因于硒干扰硫代谢，导致蛋白质合成和光合作用受损[31,45]。在罗勒中显示产量损失的处理也是硒积累最高的处理，这支持了硒的毒性效应。硫处理具有显著的主要效应，导致生菜和罗勒的鲜重增加；芸苔属生物量不受影响。在生菜和罗勒中观察到的产量提高可能更多地归因于Mg而非S本身。在这个实验中，当MgSO₄用作硫源时，额外的硫处理也意味着Mg的额外供应。尽管在高硫处理中观察到地上部硫浓度有统计学上的显著增加，但这种增加有限(图2A)。然而，Mg浓度的响应性增加远超硫积累水平(表3)。Mg是作物生长和发育的必需营养素，包括光合作用和碳水化合物积累[46,47]。据报道，Mg施肥提高了蔬菜产量[48]。
火箭菜，像其他十字花科物种一样，是一种富含硫的植物，其特点是含有高浓度的含硫次生代谢物[49,50]。在这项研究中，火箭菜中的硫积累能力明显高于其他叶菜(图2A)。出乎意料的是，根区硫酸盐供应增加并未在火箭菜组织中触发进一步积累。这可以解释为在低硫环境中硫酸盐转运体可能已经达到了最大容量，额外的硫酸盐不会进一步增加组织积累[51]。在生菜和火箭菜中，硒应用导致组织硫浓度增加，与先前研究一致(图2A)[52,53,54]。Boldrin等人(2016)报告说，亚硒酸盐处理通过激活特定硫酸盐转运体模拟硫缺乏，导致更高的硫积累[55]。图2B展示了叶菜一份中的硒浓度。火箭菜积累了显著高水平的硒，与其高硫积累能力平行，这与其作为硒积累植物的分类一致[27]。我们的研究结果证实了这一生理特性，因为火箭菜在测试的叶菜中表现出最高的硒水平。报告中在高硫条件下硒积累的显著抑制主要是由于在根质膜上硫酸盐和硒酸盐共享共同的运输途径而产生的竞争性抑制[56,57]。高硫可用性可能使硫酸盐转运体饱和，从而限制硒酸盐吸收并减少植物组织中的硒积累。这些生理相互作用突显了在生物强化的营养液配方中平衡硫和硒供应的必要性。Saeed在2023年也报告了一项类似研究[58]，其中叶面施用硒的水平为0、0.5和2 µM Na₂SeO₄到施用0、1 mM和2 mM硫的菠菜植物上，显示在低硫条件下硒吸收更高。在为期两年的土壤基研究中，Liu等人(2017)证明硫补充降低了无论硒形式如何的种子中的硒浓度[59]。
鉴于硒生物强化的主要目标是满足成年人的推荐膳食摄入量(RDA)，该摄入量设定为55 µg[43]，我们的研究结果表明，每份的营养贡献受到背景硫状态的强烈调节。在低硫条件下，一份生菜和火箭菜成功满足或超过了这一每日需求，而罗勒则低于目标阈值。高硫可用性进一步抑制了硒积累，将生菜和火箭菜的贡献降低到目标限值以下，并进一步降低了罗勒的贡献。因为当消费超过耐受上限(设定为400 µg)[43]时可能发生硒毒性，调节水培配方中的硫供应提供了维持硒积累在安全阈值内的重要的物种特异性农艺技术[54]。
评估大量元素分布揭示了所有物种中明显的阳离子拮抗，高MgSO₄诱导的组织Mg水平增加同时降低了K浓度(表2和表3)，主要归因于根区Mg²⁺的增强可用性及其通过植物根系的浓度依赖性被动吸收[60]，这同时触发了组织K水平的相应下降。在根环境中，Mg和K可能作为阳离子竞争，导致拮抗相互作用。升高的Mg水平可能通过竞争非特异性转运体和通道、破坏K⁺吸收所需的电化学梯度以及改变膜选择性来阻碍K吸收[60,61,62]。在生菜中，硫和硒对Ca、K、Mg和P浓度有交互效应。在低硫条件下，硒应用增加了这些元素浓度，而在高硫条件下，Ca、K和Mg降低，而K保持不变。我们的研究结果与Abdalla等人(2021)一致，他们报告在0.5 mM MgSO₄供应下，叶面硒处理增加了生菜中的P、K和Ca积累，这与本研究中使用的低硫处理(0.65 mM MgSO₄)相当[63]。在随后的研究中，Abdalla等人(2022)还观察到在1 mM K₂SO₄供应下，叶面硒应用增加了生菜中的P和Ca浓度[30]。在火箭菜中，Ca水平不受任何处理的影响，而组织P水平在高MgSO₄补充下显著降低，可能是由于Mg²⁺在膜水平上干扰磷酸盐运输系统[64]。火箭菜中的P积累也显著降低，作为硒应用的主要效应。相比之下，Tallarita等人(2025)报告在0.26 mM硒供应下，土壤生长的火箭菜中Ca、K、Mg和P浓度增加[65]。Spyrou(2025)报告在冰菜和蒲公英中，硒应用后P浓度降低，这与我们的发现一致[66]。这种降低可能是由于硒和P之间共享运输途径，导致根吸收过程中的竞争性抑制[67]。在罗勒中，硒补充对K和P浓度产生双重影响，取决于硫的可用性，在低硫条件下降低它们，但在高硫条件下增加它们。相反，Ca积累在两种硫处理下都因硒而得到促进。我们的研究结果支持先前的研究[44,68,69,70]，表明硒暴露不会对大量营养素含量产生均匀的反应，而是产生物种和品种特异性效应。
叶菜的微量营养素组成表明，硫和硒富集影响了Cu、Fe、Mn和Zn水平(表4)。虽然处理对生菜中的Cu没有影响，但它们显著影响了火箭菜和罗勒中的Cu。两种物种在低硫(0.65 mM MgSO₄)下2 µM硒时Cu浓度降低，而在高硫条件下这种效应不显著。在高硫供应下，火箭菜中的Cu浓度降低，而罗勒中的Cu浓度增加。先前的研究报告了取决于植物物种和硒形式的硒对Cu积累的不一致影响。Na₂SeO₄应用已被证明降低生菜中的Cu浓度，而Na₂SeO₃增加了生菜中的Cu积累[69]。类似地，Silva等人(2018, 2019)报告在水培生菜中亚硒酸盐降低了Cu吸收[71,72]。Puccinelli等人(2022)观察到罗勒中Cu减少但生菜中Cu增加，而Spyrou等人(2025)报告在马齿苋和蒲公英中硒应用增加了Cu，但在冰菜中没有影响[44,66]。Abdalla等人(2022)证明Cu浓度取决于S:Se比例[30]。我们的研究结果揭示了硒对所研究物种之间Fe稳态的物种依赖性反应效应，其中硒暴露抑制了生菜和火箭菜中的Fe积累，但在低硫状态下对罗勒产生强烈的协同效应。先前的研究表明，硒以物种依赖的方式影响Fe积累[44,72,73]。在水培生菜中也报告了Fe积累的降低[71,72]。相比之下，硒富集增加了罗勒和芫荽中的Fe，但降低了塌菜中的Fe[73]，而在野生生菜基因型中没有观察到影响[66]。在本研究中，Mn水平在高MgSO₄供应下在所有物种中降低，可能是由于S和Mg对Mn稳态的拮抗作用[61]。Mn对硒的反应是物种依赖的，在生菜中减少但在火箭菜中增加。在火箭菜和罗勒中，Mn水平在高硫无硒条件下最低。尽管统计分组不明显，但数值趋势表明硒在两种硫水平下都降低了生菜和火箭菜中的Zn积累。相比之下，罗勒显示出明显的S×Se交互作用，在低硫条件下Zn降低，在高硫条件下Zn增加。先前的研究也报告了硒对Zn积累的物种、剂量和形式依赖效应[44,65,66,73,74]。
先前的研究大多表明，硒补充通过增强硝酸盐从根部的外排、限制向地上部的运输以及刺激关键氮同化酶(包括硝酸还原酶(NR)、亚硝酸还原酶(NiR)、谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸合成酶(GOGAT))来降低硝酸盐积累[75,76]。许多研究报道了在硒富集的叶菜中硝酸盐浓度降低，包括生菜[70,75,76,77,78]和罗勒、塌菜、Corn沙拉和芫荽[73,79,80]。相比之下，其他研究发现硒对硝酸盐积累没有影响[81,82,83]。也报道了物种和剂量依赖性反应。Puccinelli等人(2022)观察到高硒(3 mg/L)降低了成熟生菜中的硝酸盐水平，但对罗勒或生菜幼苗没有影响[44]。Spyrou(2025)报告在马齿苋中无影响，在冰菜中减少，在蒲公英中增加，在2和4 µM硒下[66]。Puccinelli等人(2024)报告无显著影响但观察到数值增加[84]。在本研究中，硒处理显著增加了生菜和火箭菜中的硝酸盐水平，而在罗勒中没有观察到影响(图3)。这可能通过硒的低剂量刺激效应来解释，作为信号分子增强硝酸盐吸收。这种增加发生在生菜和火箭菜中但不在罗勒中，表明可能与硫代谢有交互作用。这一解释得到以下观察的支持：在生菜和火箭菜中检测到硒诱导的硫浓度增加，但在罗勒中未检测到(图2A)，表明增强的硫吸收可能影响硝酸盐吸收并有助于N:S平衡调节[52,54]。罗勒可能由于物种特异的营养获取机制而做出不同反应。
在本研究中，未观察到生菜和罗勒中光合色素谱的显著变化，这与先前研究表明低剂量硒富集通常不会改变光合色素一致[84,85,86,87]；然而，在高硫条件下，硒应用显著降低了火箭菜中的这些色素水平(图4)。在生菜和火箭菜中，无论硒水平如何，高硫供应显著增强光合色素，可能与增加的Mg可用性相关，因为Mg是叶绿素分子的核心组成部分并支持色素积累[88]。
硒生物强化不仅增加了植物中硒的浓度，还可能影响维生素、氨基酸和酚类等次生代谢物[18,30,34,80]。在本研究中，评估了总抗坏血酸、总酚含量(TPC)和抗氧化活性(DPPH和FRAP)。虽然许多研究报道硒应用增加了抗氧化水平[53,89,90,91]，但我们的研究结果并未遵循这一趋势。硒处理对生菜和罗勒中的总抗坏血酸没有显著影响，但在火箭菜中显著降低(图5A)。TPC、DPPH和FRAP值在所有三种物种中也因硒处理而显著降低(图5B-D)。这种差异可能通过营养液中使用的相对低的硒浓度来解释，该浓度可能低于刺激抗氧化反应所需的阈值。Puccinelli等人(2022)证明抗氧化反应对硒是剂量依赖的[44]。在该研究中，1 mg/L硒对生菜和2 mg/L对罗勒对酚类或抗氧化能力没有影响，而3 mg/L显著增加了这些参数。类似地，Skrypnik等人(2019)报告2 µM硒仅对罗勒中的抗氧化活性产生轻微变化，而较高浓度(5-10 µM)显著增加了DPPH、ABTS和FRAP值[92]。其他研究也报告了硒生物强化对酚类或抗氧化活性没有影响[84,93,94]。本研究中使用的相对低的硒浓度与人类RDA目标一致；然而，这种低剂量在文献中仍未得到充分探索。虽然土壤中硫-硒拮抗作用是众所周知的，但本研究最重要的新颖之处是调查这些离子相互作用在不受土壤干扰的室内NFT系统中。具体来说，应用的低硒浓度(2 μM)未能增加抗氧化能力；这一结果与先前文献中的大部分不一致，其中较高剂量通常会触发上调。这种不一致突显了对硒的特定剂量-反应阈值进行进一步分析的必要性。此外，这种缺乏增加可能与室内NFT环境的稳定、低压力条件密切相关。在缺乏环境压力源(如温度波动或干旱)的情况下，活性氧(ROS)的产生保持最小，低剂量硒信号可能不足以触发抗氧化酶系统的进一步上调。为了更好地理解这种剂量-环境交互作用并扩大其实际适用性，还需要在露天或半控制环境中的低剂量硒应用研究。
此外，在本研究中观察到硝酸盐积累和抗氧化能力之间存在负相关，这与硒处理相关。虽然先前的研究通常报告硝酸盐水平降低与抗氧化合成增加相关[95]，但本研究结果表明相反的趋势，其中硒诱导的硝酸盐增加与降低的抗氧化能力相关，突显了我们的研究在受控水培系统中的独特代谢调节和边际贡献。
然而，需要注意的是，由于MgSO₄是主要的硫源，高硫供应下观察到的生长促进，以及包括组织硒积累在内的其他反应，可能归因于这些营养素的综合效应，而不仅仅是硫本身。因此，未来的研究需要使用Mg-free硫源和S-free Mg源的因子组合来分离这些营养素对生长、质量和硒生物强化的单独贡献。
5. 结论
本研究表明，硫供应是调节在室内NFT系统中生长的叶菜中硒生物强化及相关营养特性的重要调节器。增加硫酸盐供应增强了生菜和罗勒的生物量；然而，它同时降低了所有物种中的硒积累，从而降低了它们对膳食硒摄入的贡献。对于像火箭菜这样具有高硫和硒积累能力的植物，营养液中的较高硫浓度(1.3 mM)可能是有益的，以限制过量且可能有毒的硒积累。相反，对于像罗勒和生菜这样具有较低基础硒积累能力的物种，较低的根区硫浓度(0.65 mM)可能支持有效的硒吸收并帮助保持其对膳食硒摄入的功能性贡献，尽管必须考虑本研究中可能的抗衡离子效应，如Mg。观察到明显的物种特异性反应，包括生长、硒积累、抗氧化能力和矿物质组成。值得注意的是，与许多关于硒富集增强抗氧化活性的报告相反，在与人类RDA目标一致的硒水平下，在完全受控的室内条件下，硒降低了抗氧化能力(TPC、DPPH、FRAP)。这些发现表明，叶菜在无土系统中的硒生物强化可能不一定最大化整体营养质量，并且精确管理大量营养素供应，特别是硫，对于实现最大营养效益至关重要。
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