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一種水稻葉綠體發(fā)育調(diào)控基因AHS1及其編碼的蛋白質(zhì)與應(yīng)用的制作方法

文檔序號(hào):12938923閱讀:204來(lái)源:國(guó)知局
一種水稻葉綠體發(fā)育調(diào)控基因AHS1及其編碼的蛋白質(zhì)與應(yīng)用的制作方法與工藝

本發(fā)明屬于植物基因工程領(lǐng)域。具體的說(shuō),本發(fā)明涉及一種利用圖位克隆技術(shù)克隆水稻ahs1(albinoinheatstress1)基因,以及利用轉(zhuǎn)基因互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)鑒定該基因的功能;同時(shí)還涉及利用該基因?qū)λ救~綠體發(fā)育過(guò)程及葉片顏色進(jìn)行調(diào)控,用以改良農(nóng)作物的光合作用效率,提高水稻增產(chǎn)潛力。



背景技術(shù):

葉綠體是綠色植物葉肉細(xì)胞中特有的能夠進(jìn)行光合作用的細(xì)胞器,其主要分布于葉肉細(xì)胞和幼莖的皮層細(xì)胞中。在個(gè)體發(fā)育上,葉綠體來(lái)自于前質(zhì)體,是由前質(zhì)體發(fā)育成葉綠體。在葉綠體的發(fā)育過(guò)程中,其內(nèi)的類(lèi)囊體膜的形成與葉綠素的累積是兩個(gè)相輔相成的過(guò)程。當(dāng)與葉綠體發(fā)育相關(guān)的基因發(fā)生突變時(shí),將會(huì)影響到葉綠體的正常發(fā)育,從而影響葉綠素的生物合成,導(dǎo)致葉綠素中的色素比例改變而產(chǎn)生葉色突變體。而葉色是影響水稻光合作用和產(chǎn)量的重要性狀,在提高水稻產(chǎn)量和品種改良方面占有重要的地位。

水稻葉綠體是合成有機(jī)物質(zhì)的重要場(chǎng)所,通過(guò)延緩葉片的衰老和延長(zhǎng)光合器官的功能,可以增加干物質(zhì)積累;尤其在水稻的生育后期,通過(guò)延長(zhǎng)植株葉片的光合作用時(shí)間,積累更多的有機(jī)物質(zhì)可以提高水稻增產(chǎn)的潛能。水稻中存在著一類(lèi)重要的葉色突變體--常綠葉,其是一種功能型常綠突變體,其主要的表型特征為生長(zhǎng)后期葉片衰老延緩、葉綠素含量和光合能力保持不變。因此,葉色基因的有效利用,不僅可以提高水稻的生產(chǎn)能力,也為今后的超級(jí)稻育種提供了新的途徑和方法。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

本發(fā)明的目的是提供一種能影響水稻葉綠體發(fā)育及葉片顏色的蛋白質(zhì)、其基因及應(yīng)用。

為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提供了一種水稻葉綠體發(fā)育調(diào)控基因ahs1編碼的蛋白質(zhì),所述蛋白質(zhì)具有(a)或(b)所示的序列:(a)seqidno:2或圖8所示的氨基酸序列;(b)在(a)所限定的氨基酸序列中添加和/或取代和/或缺失一個(gè)或多個(gè)氨基酸且具有相同功能的由(a)衍生的蛋白質(zhì)。

本發(fā)明還提供了一種編碼上述蛋白質(zhì)的基因,該基因具有(a)或(b)所示的序列:(a)seqidno:1或圖7所示的基因組核苷酸序列;(b)在(a)所示的核苷酸序列中添加和/或取代和/或缺失一個(gè)或多個(gè)核苷酸而生成的可編碼具有水稻葉綠體發(fā)育調(diào)控功能的蛋白質(zhì)的突變基因、等位基因或衍生物。

本發(fā)明還提供了一種包含上述基因的植物表達(dá)載體。該植物表達(dá)載體為優(yōu)選pcambia1300表達(dá)載體。

本發(fā)明還提供了一種宿主細(xì)胞,該宿主細(xì)胞含有上述基因序列。該宿主細(xì)胞為大腸桿菌細(xì)胞、農(nóng)桿菌細(xì)胞或植物細(xì)胞。

本發(fā)明還提供了一種改良水稻葉色的方法,將上述基因轉(zhuǎn)化水稻細(xì)胞,再將轉(zhuǎn)化后的水稻細(xì)胞培育成植株。

本發(fā)明還提供了上述蛋白質(zhì)、基因、植物表達(dá)載體、宿主細(xì)胞在調(diào)控植物葉綠體發(fā)育中的應(yīng)用。所述植物優(yōu)選為禾本科植物,尤其為水稻。

進(jìn)一步具體說(shuō)明:本發(fā)明的目的是提供一種從水稻突變體albinoinheatstress1中克隆的新基因ahs1,如圖7和seqidno:1所示的dna序列,也包括與seqidno:1所示的dna序列至少有70%同源性的基因序列;還包括在seqidno:1中添加和/或取代和/或缺失一個(gè)或多個(gè)核苷酸而生成的突變基因、等位基因或衍生物,具有相同功能的序列也能達(dá)到本發(fā)明的目的。本發(fā)明中的seqidno:2和圖8所示的蛋白質(zhì)屬于三角狀五肽包含蛋白,其中進(jìn)行一個(gè)或多個(gè)替換,插入或缺失所獲得的功能類(lèi)似物也能達(dá)到本發(fā)明的目的。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種用ahs1基因進(jìn)行高效的植物轉(zhuǎn)化的方法,具體地說(shuō),本發(fā)明提供了具有seqidno:1和圖7所示序列的基因或基因部分片段的載體,其中,如圖4所示的pcambia1300-ahs1,該載體可以表達(dá)有上述核苷酸序列編碼的多肽或其同源類(lèi)似物。

本發(fā)明還提供了一種利用植物表達(dá)載體轉(zhuǎn)化植物細(xì)胞影響水稻葉片顏色的方法。具體地是利用植物表達(dá)載體轉(zhuǎn)化植物細(xì)胞以影響水稻葉綠體發(fā)育的方法。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的具體技術(shù)步驟如下:

(1)突變體ahs1的分離和遺傳分析:

本發(fā)明的水稻苗期白化突變體ahs1來(lái)自粳稻品種日本晴(oryzasatival.cvnipponbare)ems(ethylmethylsulfonate)誘變產(chǎn)生的突變。通過(guò)與野生型的正反交實(shí)驗(yàn),證明該突變體受隱性單基因控制,如圖1所示。

(2)突變體ahs1與野生型葉肉細(xì)胞葉綠體及穎殼薄壁細(xì)胞葉綠體結(jié)構(gòu)比較:

與野生型相比,突變體ahs1葉肉細(xì)胞葉綠體中類(lèi)囊體結(jié)構(gòu)不明顯或數(shù)目明顯下降(如圖1b,1c所示);與野生型相比,突變體ahs1穎殼薄壁細(xì)胞中無(wú)成熟或完整的葉綠體結(jié)構(gòu)(如圖2b,2c所示)。

(3)圖位克隆ahs1基因:

1)ahs1的初定位:

為了分離ahs1基因,本發(fā)明首先構(gòu)建了一個(gè)定位群體,由突變體ahs1與秈稻品種臺(tái)中本地1號(hào)雜交組配成f2定位群體。再通過(guò)圖位克隆的方法,利用sts、ssr等分子標(biāo)記將ahs1位點(diǎn)初步定位在第5染色體介于5-11和a5-9標(biāo)記之間的區(qū)域內(nèi)(圖3)。

2)ahs1的精細(xì)定位:

發(fā)展新的sts標(biāo)記將ahs1精確定位于bacoj1268_b08上、k5-13和k5-27標(biāo)記之間22kb范圍內(nèi)(圖3),通過(guò)分析此區(qū)段開(kāi)放閱讀框(orf)推測(cè)候選基因。

3)ahs1基因的鑒定和功能分析:

通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù),結(jié)果表明本發(fā)明獲得了使突變體恢復(fù)正常表型的轉(zhuǎn)基因水稻(圖5,圖6),證明了本發(fā)明正確克隆了ahs1基因。

綜上所述,本發(fā)明利用水稻苗期白化ahs1突變體,通過(guò)圖位克隆技術(shù)首次在水稻中克隆到了ahs1基因,該基因編碼一個(gè)三角狀五肽包含蛋白,調(diào)控水稻葉片和穎殼中葉綠體早期發(fā)育,從而影響葉片顏色和穎殼顏色。通過(guò)對(duì)ahs1基因的功能分析,進(jìn)一步明確了植物特別是禾本科植物葉綠體發(fā)育及葉片顏色形成的遺傳機(jī)制,為改良農(nóng)作物的光合作用效率,提高水稻增產(chǎn)潛力奠定了基礎(chǔ)。

附圖說(shuō)明

圖1是水稻葉綠體發(fā)育缺陷材料ahs1與野生型材料的苗期表型圖(a)及葉片葉綠體顯微結(jié)構(gòu)圖(b和c)。

圖2是水稻葉綠體發(fā)育缺陷材料ahs1與野生型材料穗部表型圖(a)及穎殼葉綠體顯微結(jié)構(gòu)圖(b和c)。

圖3是ahs1基因的精細(xì)定位與克隆圖。

圖4是pcambia1302-ahs1載體圖譜。

圖5是轉(zhuǎn)基因互補(bǔ)t1代水稻植株和ahs1突變體植株表型圖。左,ahs1突變體幼苗;右,轉(zhuǎn)基因互補(bǔ)t1代幼苗。

圖6是轉(zhuǎn)基因互補(bǔ)t1代水稻植株和ahs1突變體穗部表型圖。左,ahs1突變體穗部;右,轉(zhuǎn)基因互補(bǔ)t1代穗部。

圖7是ahs1基因的dna核苷酸序列圖。

圖8是ahs1基因編碼的氨基酸序列圖。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容,但不應(yīng)該理解為對(duì)本發(fā)明的限制。在不背離本發(fā)明精神和實(shí)質(zhì)的情況下,對(duì)本發(fā)明方法、步驟或條件所作的修改或替換,均屬于本發(fā)明的范圍。若未特別指明,實(shí)施例中所用的技術(shù)手段為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的常規(guī)手段。若未特別指明,實(shí)施例中所用的生化試劑、載體、耗材等均為市售購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品。

實(shí)施例1.水稻葉綠體發(fā)育調(diào)控基因ahs1的克隆

(1)水稻材料:

水稻突變體ahs1(albinoinheatstress1),其原始野生材料為粳稻品種日本晴(oryzasatival.cvnipponbare)。如圖1所示,突變體ahs1苗期表現(xiàn)白化(圖1a);與野生型相比,ahs1葉綠體發(fā)育異常(圖1b,1c)。在抽穗期,突變體ahs1穎殼表現(xiàn)出白化表型,突變體ahs1穎殼中無(wú)完整的葉綠體可見(jiàn)(圖2b,2c)。

(2)分析和定位群體:

純合的ahs1突變體和野生型秈稻品種臺(tái)中本地1號(hào)進(jìn)行雜交,f1代自交,得到f2群體,并從中選出2104株ahs1表型個(gè)體作為定位群體。在苗期每株取1克左右的嫩葉,用來(lái)提取植物總dna。

(3)ahs1基因的定位:

利用從定位群體中選取的ahs1表型個(gè)體,組成的小群體進(jìn)行ssr分析,根據(jù)公布的粳稻和秈稻創(chuàng)建的分子遺傳圖譜,選取近似均勻分布于各條染色體上的ssr引物進(jìn)行pcr擴(kuò)增,采用如下擴(kuò)增程序:94℃預(yù)變性4分鐘;94℃變性30秒,55℃退火30秒,72℃延伸30秒,35個(gè)循環(huán);最后72℃再延伸10分鐘。pcr產(chǎn)物經(jīng)5%瓊脂糖凝膠電泳分離和溴化乙啶染色,檢測(cè)pcr產(chǎn)物的多態(tài)性,將ahs1初步定位在第5號(hào)染色體短臂5-11和a5-9標(biāo)記之間。在初定位的基礎(chǔ)上繼續(xù)設(shè)計(jì)ssr和sts標(biāo)記,最終將ahs1精確定位于bac號(hào)為oj1268_b08區(qū)段上共22kb的范圍之內(nèi),兩邊的分子標(biāo)記為k5-13和k5-27(圖3),并與k5-29共分離。引物序列如下:

5-11f:gctctcctgtgggttttcagr:catggtgctcctactggttg

a5-9f:acttacatctgaggtgcatar:gcattgcagattacagatac

k5-13f:tcgtcgcacgcgagattttr:acaccgaactggggctgt

k5-27f:gcgtctcacctagcactatr:cgtcgctctatttatcacag

k5-29f:cgattttgatgaaccagatr:tgctctctcagactaaatg

(4)基因預(yù)測(cè)和測(cè)序分析:

根據(jù)精細(xì)定位的結(jié)果,在22kb范圍內(nèi)根據(jù)riceautomatedannotationsystem(http://ricegaas.dna.affrc.go.jp)的預(yù)測(cè),發(fā)現(xiàn)在此區(qū)間內(nèi)共有4個(gè)候選基因,根據(jù)兩標(biāo)記剩余的重組個(gè)體數(shù)及共分離標(biāo)記,我們?cè)O(shè)計(jì)了各基因的測(cè)序引物,采用pcr方法分別從ahs1和野生型品種日本晴基因組中擴(kuò)增出各個(gè)候選基因進(jìn)行測(cè)序分析。發(fā)現(xiàn)其中1個(gè)候選基因的1個(gè)dna片段中,突變體ahs1擴(kuò)增的產(chǎn)物與野生型品種日本晴比較有1個(gè)堿基替換。將上述測(cè)序過(guò)程重復(fù)驗(yàn)證兩次,均得出相同的結(jié)果。因此,將該候選基因命名為ahs1。根據(jù)bac克隆oj1268_b08序列的基因注釋信息,預(yù)測(cè)該候選基因編碼一個(gè)三角狀五肽包含蛋白。

實(shí)施例2.pcambia1300-ahs1植物表達(dá)載體構(gòu)建

根據(jù)ncbi中提供的水稻品種日本晴(oryzasativalcv.nipponbare)全基因組序列,設(shè)計(jì)擴(kuò)增ahs1候選基因全長(zhǎng)序列的特異性擴(kuò)增引物,并根據(jù)選用的pcambia1300表達(dá)載體及ahs1候選基因序列的特征,在特異性引物兩端添加特異性酶切位點(diǎn)(圖4)。具體設(shè)計(jì)的引物為:正向引物(p1f)5’端添加ecori酶切位點(diǎn)(gaattc),反向引物(p1r)5’端添加sse83871酶切位點(diǎn)(cctgcagg),引物序列如下:

p1f正向引物:5’-cggaattcactccgatttccgtctctt-3’

p1r反向引物:5’-tgcctgcagggcagaaacgataagcacata-3’

然后提取水稻品種日本晴基因組dna,并以日本晴基因組dna為模板,利用上面設(shè)計(jì)的引物(p1f和p1r)擴(kuò)增ahs1候選基因全長(zhǎng)序列共計(jì)4934bp:包括ahs1基因組dna全長(zhǎng)及其上下游序列。采用如下擴(kuò)增程序:94℃預(yù)變性4分鐘;98℃變性30秒,55℃退火30秒,68℃延伸5分鐘,35個(gè)循環(huán);最后72℃再延伸10分鐘?;厥誴cr擴(kuò)增的目的片段,將其連接zeroblunttopo載體到(invitrogen),轉(zhuǎn)化大腸桿菌dh5a感受態(tài)細(xì)胞,然后經(jīng)過(guò)菌落pcr鑒定篩選陽(yáng)性克隆,并將陽(yáng)性克隆送invitrogen公司測(cè)序。將經(jīng)過(guò)測(cè)序鑒定的陽(yáng)性克隆進(jìn)行質(zhì)粒提取,提取的質(zhì)粒用ecori和sse83871雙酶切,并回收ahs1互補(bǔ)片段。同時(shí)利用ecori和sse83871對(duì)pcambia1300進(jìn)行雙酶切線(xiàn)性化,并回收pcambia1300骨架,將酶切后回收的ahs1互補(bǔ)片段與酶切后回收的pcambia1300骨架用t4連接酶(購(gòu)于neb公司)進(jìn)行連接,得到ahs1互補(bǔ)表達(dá)載體pcambia1300-ahs1(圖4),采用電擊轉(zhuǎn)化法將pcambia1300-ahs1表達(dá)載體轉(zhuǎn)入根瘤農(nóng)桿菌(agrobacteriumtumefaciens)eha105中。

實(shí)施例3.將pcambia1300-ahs1植物表達(dá)載體轉(zhuǎn)化水稻

采用農(nóng)桿菌介導(dǎo)的水稻成熟胚愈傷浸染轉(zhuǎn)化方法,將重組表達(dá)載體pcambia1300-ahs1轉(zhuǎn)入水稻成熟胚中,轉(zhuǎn)化方法如下:(1)水稻成熟胚愈傷組織的誘導(dǎo):將成熟的日本晴種子去殼,然后用75%酒精表面消毒2min,然后用30%naclo溶液浸泡30min,并重復(fù)一次,然后用滅菌水清洗4-5次。然后將種子置于誘導(dǎo)培養(yǎng)基上培養(yǎng),26度避光培養(yǎng)誘導(dǎo)愈傷組織用于轉(zhuǎn)化。(2)水稻愈傷組織與農(nóng)桿菌的共培養(yǎng):將實(shí)施例2中鑒定含有pcambia1300-ahs1表達(dá)載體的eha105菌株進(jìn)行活化、富集、重懸,調(diào)整od600=0.4-0.6。將愈傷組織收集于50ml無(wú)菌離心管中,倒入重懸好的農(nóng)桿菌懸浮液,浸染愈傷。浸泡15-30min后,倒掉懸浮液,將浸染過(guò)的愈傷置于無(wú)菌濾紙上吸干多余的農(nóng)桿菌菌液。然后將愈傷置于鋪有無(wú)菌濾紙的培養(yǎng)皿中,26度避光培養(yǎng)2-3天。(3)抗性愈傷的篩選:共培養(yǎng)完成后,將愈傷轉(zhuǎn)移至含有50mg/ml的潮霉素的篩選培養(yǎng)基中,26-28度條件下抗性篩選。(4)抗性愈傷的分化:將篩選培養(yǎng)基中生長(zhǎng)狀態(tài)良好的愈傷置于分化培養(yǎng)基中,置于16小時(shí)光照/8小時(shí)黑暗、環(huán)境溫度在26-28度之間的條件下,分化培養(yǎng),直至分化長(zhǎng)出小苗。(5)分化小苗的生根:待分化小苗月2cm左右時(shí),將小苗轉(zhuǎn)移到生根培養(yǎng)基中,進(jìn)行生根培養(yǎng)。長(zhǎng)出根系的小苗移栽于溫室或轉(zhuǎn)基因圃中進(jìn)行生長(zhǎng)。對(duì)植株進(jìn)行鑒定和連續(xù)的觀(guān)察發(fā)現(xiàn),與同時(shí)期的突變體比較,轉(zhuǎn)基因互補(bǔ)t1代植株苗期葉片顏色恢復(fù)到正常狀態(tài)(圖5),轉(zhuǎn)基因互補(bǔ)t1代植株穗部穎殼也恢復(fù)到綠色(圖6)。

序列表

<110>中國(guó)水稻研究所

<120>一種水稻葉綠體發(fā)育調(diào)控基因ahs1及其編碼的蛋白質(zhì)與應(yīng)用

<160>14

<170>siposequencelisting1.0

<210>1

<211>2613

<212>dna

<213>稻屬水稻(oryzasativa)

<400>1

atgccgccaccgccagctagaacccacccgaaccctcccctcctccacctcctcgcctcc60

caccgcgcgccgcagccgctcccgctcacgccggcgcacggccacctcccgccgcggaag120

cgtccccgcggagtcggctccgcagcggcgccgccgccgccgcgtgccgccgcctccgcg180

gaggccacctactctgaccggagcgccgcgctgcgggcgctctgtagccatggccagctg240

gcgcaggcgctctggctcctcgagtcctccccggagccgcccgacgagggcgcctacgtc300

gcgctgttccggctctgcgagtggcgccgcgcggtcgacgccgggatgcgggcgtgcgcg360

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ctcgtcaggttcggggagatatggcacgcgtggagggtgttcgccaaaatgcctgagagg480

gacgtcttctcctggaacgtcatggtaggcgggtacggcaaggtgggcttcctcgaggag540

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atgtatgcaaaatgtggggatattgtggcggcgaggaaggtgtttgatggaatggccgtg780

acagactgcatatcatggaatgcgatgatagctgggcattttgagaatcatgagtgtgag840

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<210>2

<211>870

<212>prt

<213>稻屬水稻(oryzasativa)

<400>2

metproproproproalaargthrhisproasnproproleuleuhis

151015

leuleualaserhisargalaproglnproleuproleuthrproala

202530

hisglyhisleuproproarglysargproargglyvalglyserala

354045

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100105110

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115120125

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130135140

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145150155160

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165170175

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180185190

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210215220

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225230235240

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245250255

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260265270

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275280285

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340345350

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355360365

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370375380

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385390395400

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405410415

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645650655

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675680685

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740745750

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<210>3

<211>20

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<400>5

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<213>人工序列(k5-13r)

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<213>人工序列(k5-27r)

<400>10

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<400>11

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<211>19

<212>dna

<213>人工序列(k5-29r)

<400>12

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<213>人工序列(p1f)

<400>13

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<211>30

<212>dna

<213>人工序列(p1r)

<400>14

tgcctgcagggcagaaacgataagcacata30

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