《NMT 通讯》第四期
55
王瑶
中国农业大学，北京 100193
摘要：
本次研修班是在植物领域使用非损伤微测技术的学术交流与经验分享活动。对非损伤
微测技术的适用范围以及价值有着清晰而全面的讲述。内容涉及了植物逆境、植物生长发育、
植物营养以及非损伤微测技术的具体应用等多个方面。本篇论文首先总结了非损伤微测技术
在植物领域的应用概况，包括盐碱胁迫、重金属研究和养分元素研究。其次是非损伤微测技
术在新兴的植物纳米生物学中的应用，主要是在纳米抗逆方面对于早期胁迫响应的瞬时、持
续的检测。最后是其在植物逆境上的一些具体应用，包括不同胁迫下应用的植物种类、检测
指标以及检测目的。随后对自己课题中与非损伤微测技术应用相关的内容进行了实验方案设
计。
关键词：
非损伤微测技术，逆境胁迫，纳米材料，钙信号
1. 非损伤微测技术简介
1.1 定义
非损伤微测技术 是一种超高灵敏度，
非接触方式、以流速为单位，检测材料外部
离子分子浓度及其梯度的技术。
1.2 在植物学中的应用
1. 植物抗盐等逆境研究
2. 蛋白功能研究
3. 植物发育调控
4. 光合 / 呼吸作用研究
5. 植物营养研究
6. 植物与微生物相互作用
7. 植物发育调节机制研究
8. 重金属污染与治理研究
非损伤微测技术高级研修班培训收获
1.3 发展历程
2001
年，许越先生在美国马萨诸塞州创
立美国扬格公司（
Younger USA LLC
），标
志着现代
NMT
商业化的开端。
2002-2005
年，
美国扬格公司携非损伤微测技术，以其优越
的技术性能，服务于美国航空航天局的专业
研究培训中心（
NASA Specialized Center of
Research and Training, NSCORT
），参与植
物重力研究项目。
2005
年，旭月（北京）
科技有限公司在北京中关村正式成立，并成
为美国扬格公司的战略合作伙伴，正式宣布
收稿日期：
2023-03-22
编辑作者
E-mail: yanhan@nmtia.org.cn
高级研修班结业心得
《NMT 通讯》第四期
56
将中国纳入世界
NMT
商业化版图。时至今
日，中国已当之无愧地成为
NMT
商业化最
为成功的地域。
在中科院植物所匡廷云院士、中科院生
物物理所杨福愉院士、北京大学林克椿教授
的战略指导下，旭月（北京）科技有限公司
（下称“旭月公司”）于
2005
年在北京中
关村科技园成立，标志着
NMT
正式进入中
国，并邀请
Lionel F.Jae
担任公司非损伤微
测技术顾问。
2007
年，美国扬格（旭月北京）
非损伤技术中心成立，NMT 正式地服务于中
国的科研人员。
旭月公司成立后，在与美国扬格公司的
共同努力下，顺利完成了非损伤微测技术及
系统的商业化，并且建立了完善的售后服务
体系。随后，为了降低设备价格，双方又联
手推出了在中国组装的非损伤微测系统，继
续不遗余力的推动非损伤微测技术在中国的
应用和普及。
2011
年非损伤微测技术及生物传感器
国际研讨会在北京召开。
2014
年第二届非
损伤微测技术研讨会在北京召开，大会宣布
“
NMT
国际标准化委员会”的成立。
2015
年旭月（北京）生物功能研究院在京成立，
专注于
NMT
技术创新、科研应用、民生应用。
同年，由旭月牵头的“中关村
NMT
非损伤
微测技术产业联盟”成立，致力于 NMT 的产
业化发展，目前已有数十家科研院校及企业
加盟。十年间，经过对 NMT 的引进、消化、
吸收、再创新，旭月公司获批的直接和相关
技术专利已超过
20
项，形成了完善的知识
产权保护体系，为非损伤微测技术在中国的
未来发展奠定了法律基础。此外，旭月公司
自成立以来，由美国扬格公司授权在大陆地
区进行技术服务、推广达
10
年之久。目前，
已为系统上报及采购客户配备个性化
VIP
顾
问组服务，在售前、售中、售后的不同阶段，
从学术、技术、商务三方面提供“三对一”
式的全程服务。
2 培训内容与感想
2.1 NMT 在植物科学领域的应用概况
非损伤微测技术在植物学领域的以下
三个方向有着最广泛的应用。主要包括：1.
盐碱胁迫中
SOS1
、
NHX1
活性指数，耐
盐保钾指数，
Na
+
、
K
+
浓度，
GORK
耐盐贡
献指数，
Ca
2+
信号转导。2. 重金属研究中
Cd/Cu/Pb
的吸收、转运、分布，
Ca
2+
、
H
2
O
2
爆 发，
H
+
/O
2
调节根际
pH
、 氧 化 电 位。3.
养分元素研究中氮钾养分吸收，铵硝钾代谢
突变株的验证，铵根 / 硝酸根 / 钾内稳态，
铵硝盐胁迫。此外还有一些常见的应用领域，
包括温度胁迫下对
Ca
2+
和
H
2
O
2
信号的检测；
植物免疫也是近年来非损伤微测技术应用的
一个大方向，例如气孔免疫、免疫原受体及
免疫信号、根际免疫和质外体免疫等。
2.2 NMT 在植物纳米生物学中的应用
随着科技的进步，植物纳米生物技术发
展迅猛，可以利用纳米材料进行基因的传递、
沉默。基于纳米材料的杀虫剂、生长调节剂、
肥料等都运用到了农业生产中。本次主要的
总结的内容是江苏师范大学孙健教授关于纳
米材料调控甘薯抗逆性的相关研究。生物质
衍生的碳点 （
CDs
）是一种典型的零维的碳
高级研修班结业心得
《NMT 通讯》第四期
57
基纳米材料，具有荧光特性，用于叶片中可
促进光合电子传递链的效率、促进光反应的
效率，从而使植物的光合作用提升；通过清
除活性氧 提高植物的抗逆性。植物抗逆的
过程与钙信号息息相关，植物钙信号的形成
依赖于质外体活性氧的爆发，植物遭受逆境
胁迫之后，植物活性氧爆发来激活质膜的钙
通道，从而形成
ROS-Ca
2+
hub
来放大钙信号。
由于
CDs
具有活性氧清除能力，结合植物
钙信号转导的特点，由此提出
CDs
如何在
清除活性氧之后不影响
ROS-Ca
2+
hub
来提
高植物抗逆性这个问题。首先
DCF
染色 显
示
CDs
处理显著降低了甘薯根中
ROS
，从
而证实了其在植物中强大的
ROS
清除活性，
并利用
NMT
检测了
CDs
处理后甘薯根的钙
信号变化，
CDs
处理
30 min
后监测到一个
显著的钙离子内流趋势，同时伴随着细胞膜
的超极化，说明
CDs
诱导甘薯根细胞超极
化和不依赖于
ROS
的
Ca
2+
内流。
NMT
这种
可以进行长时间动态监测的特性，成就了这
一发现。同样
CDs
也可以诱导多种植物的
钙离子内流。之后对
CDs
的相关官能基团
进行屏蔽，通过
NMT
检测钙离子内流变化，
发现碳点表面羟基和羧基官能团是诱导
Ca
2+
内流所必需的。进一步通过根系转基因技术
结合遗传编码的
Ca
2+
senser
发现碳点引起甘
薯根细胞质
Ca
2+
浓度增加。然后进一步探
究了是哪一类通道接到了
CDs
诱导的
Ca
2+
吸收，通过对
K
+
流速的测定，发现
CDs
激
活的通道是超极化激活的非选择性阳离子通
道，之后定位到环化核苷酸，用甘薯作为实
验对象，用荧光编码的
senser
和
NMT
结合
证明了
CDs
是通过促进
cGMP
、
cAMP
的升
高来诱导
Ca
2+
内流，然后在拟南芥环化核
苷酸相关突变体上进行了
Ca
2+
流速的测试
Ca
2+
荧光成像实验，发现有些突变体
CDs
诱导的
Ca
2+
内流和
[Ca
2+
]cyt
的升高都发生
了缺失，说明
CNGC2/4/19/20
介导碳点诱
导的拟南芥根细胞
Ca
2+
内流和细胞质
Ca
2+
增加。由于
CNGC
是介导
Ca
2+
内流的重要
通道，在植物响应病原的过程中被激活，是
否是因为
CNGC
将直径很小的纳米材料错
认为病原激活了
CNGC
，所以进一步研究了
拟南芥凝集素受体激酶
lore
和
lecrk-Ⅰ.8
突变
体，发现
lore
和
lecrk-Ⅰ.8
突变体中
CDs
诱
导的
Ca
2+
内流速率和
[Ca
2+
]cyt
显著降低，
由此说明
CDs
诱导拟南芥
Ca
2+
内流依赖于
凝集素受体激酶
LORE
和
LERCK-Ⅰ.8
。接
下来进一步去探究
CDs
是否能够通过增强
钙信号来提高甘薯的抗逆性，结果显示
CDs
水培施用增强盐胁迫下甘薯根伸长区细胞
Ca
2+
信号和
Na
+
外流，抑制
Na
+
吸收并降低
根成熟区细胞和整株水平
Na
+
积累。随后又
观察了低钾和低铁早期响应过程中
Ca
2+
的
浓度和流速的变化，发现
CDs
增强低钾和
低铁胁迫下甘薯根细胞
Ca
2+
信号（
Li Y et
al., 2022
）。
2.3 NMT 在植物逆境中的应用
植物逆境主要包括盐碱胁迫、水旱胁迫、
低温高温胁迫、重金属胁迫。其中盐胁迫和
重金属胁迫较为广泛的使用
NMT
技术，样
品涉及多种植物。
盐胁迫条件下，主要检测指标有
Na
+
、
K
+
和
H
+
，也可以检测
Ca
2+
、
Cl
-
、
NO
3
-
、
NH
4
+
。
Mg
2+
、
H
2
O
2
。检测部位主要是根，也
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《NMT 通讯》第四期
58
可以检测叶、茎、愈伤组织、下胚轴和胚芽鞘。
盐胁迫实验设计：测
Na
+
外排时，在高浓度
NaCl 处理
24 h
后，置于
0.5 mM NaCl
溶液
中浸泡
20 min
后，立即检测根部伸长区
Na
+
外排速率；测
K
+
吸收时，在高浓度
NaCl
处
理
24 h
后，直接在高浓度
NaCl
测试液中，
检测根伸长区
K
+
外排速率。
重金属胁迫下，主要检测指标有
Cd
2+
，
也可以检测
Ca
2+
、
H
+
、
K
+
、
Na
+
、
H
2
O
2
、
Pb
2+
、
Cu
2+
、
Mg
2+
、
O
2
。
低温胁迫下，检测指标主要有
Ca
2+
，也
可以检测
H
+
、
K
+
、
Na
+
、
NO
3
-
、
NH
4
+
。检测
部位主要是根。
高温胁迫下，检测指标主要有
Ca
2+
，
也可以检测
NH
4
+
、
NO
3
-
、
H
+
、
O
2
、
K
+
、
H
2
O
2
。检测部位主要是根、叶和胚芽鞘。
干旱胁迫下，检测指标主要有
Ca
2+
、
K
+
、
H
+
，也可以检测
Cl
-
、
H
2
O
2
、
Na
+
、
NH
4
+
和
IAA
。检测部位主要是根、保卫细胞、叶
肉细胞、胚芽鞘和转化细胞。
水淹胁迫下，检测指标有
Ca
2+
、
K
+
、
H
+
，检测部位主要是根和胚芽鞘。
碱胁迫下，检测指标有
H
+
、
Na
+
、
Ca
2+
、
H
2
O
2
、
O
2
、
K
+
、
NO
3
-
、
NH
4
+
。检测部
位主要是根、种子和叶肉细胞。
生物胁迫下，检测指标有
IAA
、
H
+
、
K
+
、
Na
+
、
Ca
2+
。检测部位主要是根。
2.4 感想
非损伤微测技术是一项揭示生命语言的
技术（杨明，
2012
），是实时、动态测定活
体材料的技术，通过测定进出材料的离子和
分子的流速反映生命活动的规律，是生理功
能研究的最佳工具之一。非损伤微测技术可
以探知传统电极技术无法检测到的信息，是
研究活体生命功能必不可少的技术之一。在
植物的抗逆、生长发育和一些生理生化功能
上有着难以替代的应用。对于早期的、瞬时
的逆境响应检测有着重要的应用。未来基于
非损伤微测技术的研究也将越来越多。可以
预见，非损伤微测技术将对科技发展和社会
进步起到越来越重要的作用，逐步成为大家
在实验过程中常用的手段之一。
3 应用与实验设计
纳米颗粒对棉花耐旱性的影响
一、实验目的
观察施用纳米材料后干旱胁迫对棉花钙
离子信号的变化。
二、材料用具及仪器药品
检测样品：棉花
检测仪器：非损伤微测系统（科研平台）
使用耗材：
NMT
专用固体
Ca
2+
流速传感器
所需药品：
0.1 mM CaCl
2
、
0.01 mM CaCl
2
、
0.05 mM CaCl
2
pH 6.0
干旱处理装置用具：培养皿、滤纸、样品固
定专用树脂块、
15% PEG
测试液
三、原理
钙离子
(Ca
2+
)
作为第二信使在植物响应
不同逆境胁迫中起重要作用。当植物细胞受
到干旱胁迫刺激后，胞质中的
Ca
2+
浓度迅速
增加，引发
Ca
2+
信号。胞质内的
Ca
2+
水平
变化经
Ca
2+
传感器进行信号传递和级联放
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59
大。
CBLs
与
Ca
2+
结合发生构象变化后，与
CBL
互作蛋白激酶
CIPK
结合（
Saito, 2020;
Tang et al., 2020
），形成
CBL/CIPK
复合体
来调控多种非生物胁迫（
Kim
,
2013
）。
四、方法步骤
1、将棉花样品取出，固定在培养皿中，加
入正常测试液后平衡
30min
。
2、将平衡好的棉花样品更换至含有
15%
PEG
的测试液后，放入
NMT
系统中检测根
部分生区的
Ca
2+
流速，检测
15 min
。
3、比较用纳米颗粒处理后的样品钙离子流
速的变化。
五、实验报告
根据实验结果，解释干旱胁迫后纳米颗
粒处理之后棉花根部的生理情况。
六、预期结果
纳米颗粒处理后的棉花幼苗根部，干旱
胁迫下钙离子内流增大。
参考文献
Li Y, Tang Z, Pan Z, et al. Calcium-Mobilizing
Properties of Salvia miltiorrhiza-Derived
Carbon Dots Confer Enhanced Environmental
Adaptability in Plants[J]. ACS nano, 2022,
16(3): 4357-4370.
杨明
.
非损伤微测技术
——
揭示生命的语
言
[J].
生命世界
, 2012(12):1.
Saito S, Uozumi N. Calcium-regulated
phosphorylation systems controlling uptake and
balance of plant nutrients[J]. Frontiers in Plant
Science, 2020, 11: 44.
Tang RJ, Wang C, Li K, et al. The CBL–CIPK
calcium signaling network: Unied paradigm
from 20 years of discoveries[J]. Trends in Plant
Science, 2020, 25(6): 604-617.
Kim KN. Stress responses mediated by the
CBL calcium sensors in plants[J]. Plant
biotechnology reports, 2013, 7(1): 1-8.
许越 . 非损伤微测技术
—2022[J].NMT
通
讯
,2022(01):11-17.
注释
ⅰ
“非损伤微测技术”，英文名称为 “
Non-invasive Micro-test Technology
”，简称 “
NMT
”
ⅱ
“
SOS1
”，
Na
+
/H
+
逆向转运蛋白
ⅲ
“
NHX1
”，
Na
+
/H
+
转运蛋白
ⅳ
“
GORK
”，外向整流型钾离子通道
ⅴ
“
CDs
”，生物质衍生的碳点
ⅵ
“活性氧”，英文名称为“
reactive oxygen species
”，简称 “
ROS
”
ⅶ H2DCFDA
是活性氧（
ROS
）的细胞渗透性指示剂，本身无荧光，但在细胞内，可在
ROS
存在下被酯酶氧化去除其醋酸基团，生成具有荧光活性的
DCF
ⅷ
“
CNGC
”，环状核苷酸化离子通道
ⅸ
“
CBLs
”，英文名称为 “C
alcineurin B-like proteins
”，一种钙离子感受器
高级研修班结业心得