本發(fā)明涉及遺傳育種技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及基因拷貝數(shù)變異研究方法。
背景技術(shù):
拷貝數(shù)變異(copy number variants,CNVs)是生物基因組中一種重要的遺傳變異形式。研究發(fā)現(xiàn)CNVs與作物的許多性狀相關(guān),Cook等(2012)研究發(fā)現(xiàn)大豆胞囊線蟲抗病位點(diǎn)Rhg1作用機(jī)制為31kbp基因組片段的拷貝數(shù)變異。因此研究作物種質(zhì)資源個(gè)體表型差異、群體拷貝數(shù)表型變異規(guī)律以及基因組進(jìn)化具有重要意義。目前拷貝數(shù)變異的檢測技術(shù)包括微陣列比較基因雜交(array-based comparative genomic hybridization,aCGH)、單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphisms,SNPs)、芯片代表性寡核苷酸微陣列分析(respectively oligonucleotide microarray analysis,ROMA)、多重連接探針擴(kuò)增(multiplex ligation.dependent probe amplification;MLPA)、多重可擴(kuò)增探針雜交(multiplex amplifiable probe hybridization,MAPH)、新一代測序技術(shù)以及熒光原位雜交技術(shù)(fluorescence in situ hybridization,F(xiàn)ISH)檢測等,雖然CNV檢測技術(shù)較多,其主要用于人類疾病的檢測,針對(duì)于作物的研究,受到每種方法的技術(shù)手段、成本及操作難度的限制難于在常規(guī)分子實(shí)驗(yàn)室中推廣應(yīng)用,尤其當(dāng)被測樣本容量大的情況下,如進(jìn)行作物重組群體的表型檢測難度很大。
目前拷貝數(shù)變異的檢測技術(shù)包括微陣列比較基因雜交(array-based comparative genomic hybridization,aCGH)、單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphisms,SNPs)、芯片代表性寡核苷酸微陣列分析(respectively oligonucleotide microarray analysis,ROMA)、多重連接探針擴(kuò)增(multiplex ligation.dependent probe amplification;MLPA)、多重可擴(kuò)增探針雜交(multiplex amplifiable probe hybridization,MAPH)、新一代測序技術(shù)以及熒光原位雜交技術(shù)(fluorescence in situ hybridization,F(xiàn)ISH)檢測,以上檢測方法存在明顯的不足之處,難于在常規(guī)分子實(shí)驗(yàn)室中廣泛應(yīng)用,其中aCGH、ROMA、MLPA和MAPH等方法對(duì)芯片及雜交探針的需求及探針回收率低、實(shí)驗(yàn)成本高等問題;新一代測序技術(shù)對(duì)CNV的檢測因高測序深度而導(dǎo)致高成本及對(duì)大樣本群體CNV分析的限制;FISH技術(shù)檢測價(jià)格昂貴,且對(duì)研究人員操作手法和分析經(jīng)驗(yàn)要求極高,無法進(jìn)行大規(guī)模重復(fù)性分析且周期長、不適合做大樣本分析。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為解決上述問題,本發(fā)明提供一種大豆基因拷貝數(shù)變異分析方法,具體方案包括如下步驟:
1)基因組DNA的提取和濃度均一化:采取SDS法提取大豆基因組DNA,將基因組DNA濃度調(diào)整為50ng/L,-20℃保存?zhèn)溆谩?/p>
2)被測基因引物設(shè)計(jì):設(shè)計(jì)被測基因引物,設(shè)計(jì)模板為被測基因CDS序列;3)RT-qPCR:以β-actin為內(nèi)參基因,用內(nèi)參基因引物與步驟2)涉及的被測基因引物分別對(duì)基因組DNA模板進(jìn)行熒光定量PCR反應(yīng);熒光定量PCR檢測方法反應(yīng)體系為20μL,包括:2×熒光定量預(yù)混試劑(SuperRealPreMix Plus(2×))10.0μl,濃度為10μmol·L-1的PCR上下游引物各0.6μL,基因組DNA模板2μl,滅菌蒸餾水6.8μl;PCR程序包括:預(yù)變性95℃、15min;變性95℃、10s,退火55-60℃、20s,延伸72℃、20s,40個(gè)循環(huán);
內(nèi)參引物:
上游:5’GATCTACCATGTTCCCAAGT 3’,
下游:5’ATAGAGCCACCAATCCAGAC 3’;
4)利用RT-qPCR獲得被測基因和內(nèi)參基因β-actin的Ct值計(jì)算被測基因在不同大豆品種中的相對(duì)豐度值,通過被測基因在不同品種大豆中的相對(duì)豐度值之間的比值判斷被測基因在不同品種大豆中的拷貝數(shù)變異關(guān)系。
上述方法具體包括以下步驟:
1)基因組DNA的提取和濃度均一化:采取SDS法提取品種A大豆基因組DNA,采用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測和 Lite紫外分光光度計(jì)聯(lián)合檢測DNA濃度并通過稀釋實(shí)現(xiàn)濃度均一化,將基因組DNA濃度調(diào)整為50ng/L,-20℃保存?zhèn)溆谩?/p>
2)被測基因引物設(shè)計(jì):設(shè)計(jì)被測基因引物,設(shè)計(jì)模板為被測基因CDS序列;
3)RT-qPCR:以β-actin為內(nèi)參基因,用內(nèi)參基因引物與步驟2)涉及的被測基因引物分別對(duì)基因組DNA模板進(jìn)行熒光定量PCR反應(yīng);熒光定量PCR檢測方法反應(yīng)體系為20μL,包括:2×熒光定量預(yù)混試劑(SuperRealPreMix Plus(2×))10.0μl,濃度為10μmol·L-1的PCR上下游引物各0.6μL,基因組DNA模板2μl,滅菌蒸餾水6.8μl;PCR程序包括:預(yù)變性95℃、15min;變性95℃、10s,退火55-60℃、20s,延伸72℃、20s,40個(gè)循環(huán);
內(nèi)參引物:
上游:5’GATCTACCATGTTCCCAAGT 3’,
下游:5’ATAGAGCCACCAATCCAGAC 3’;
4)以RT-qPCR獲得被測基因和內(nèi)參基因β-actin的Ct值為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),按公式2-(Ct(目的基因)-Ct(內(nèi)參基因))計(jì)算被測基因相對(duì)豐度值,設(shè)被測基因相對(duì)豐度值為a;
5)取品種B大豆,重復(fù)上述步驟1)-4),設(shè)被測基因相對(duì)豐度值為b';
6)根據(jù)a/b的值判定被測基因在品種A中的拷貝數(shù)與被測基因在品種B中的拷貝數(shù)的多少:當(dāng)a/b>2.5時(shí),被測基因在品種A中的拷貝數(shù)顯著大于被測基因在品種B中的拷貝數(shù)。
優(yōu)選的,步驟2)所述引物設(shè)計(jì)遵循以下原則:a)PCR產(chǎn)物長度90bp-200bp;b)引物對(duì)在大豆基因組上具有唯一匹配位置。
優(yōu)選的,用Primer 5.0軟件設(shè)計(jì)引物,設(shè)計(jì)出的引物要以大豆基因組DNA為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增以測試基因引物特異性,以擴(kuò)增產(chǎn)物唯一為準(zhǔn);并在退火溫度55-60℃范圍內(nèi)進(jìn)行溫度梯度PCR確定引物的最佳退火溫度,以擴(kuò)增產(chǎn)物量最大為準(zhǔn);步驟3)中的退火溫度選取步驟2)確定的最佳退火溫度。
上述引物設(shè)計(jì)遵循以下原則:
(1)PCR產(chǎn)物長度90bp-200bp;
(2)GC含量40%-60%;
(3)避免形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)和引物二聚體;
(4)產(chǎn)物避免跨內(nèi)含子區(qū);
(5)引物設(shè)計(jì)完成后通過與大豆基因組序列的在線比對(duì)(www.phetozome.net),確保引物對(duì)在大豆基因組上具有唯一匹配位置。
上述步驟4)-6)中的數(shù)據(jù)處理方法為:
以被測基因PCR產(chǎn)物相對(duì)豐度作為基因拷貝數(shù)變異基礎(chǔ)數(shù)據(jù),被測基因PCR產(chǎn)物相對(duì)豐度的計(jì)算采用內(nèi)參基因法,具體通過公式2-ΔΔCt計(jì)算。其中ΔΔCt=Ct(目的基因)-Ct(內(nèi)參基因),對(duì)于相對(duì)定量ΔΔCt方法,Ct值是由三次試驗(yàn)重復(fù)取平均數(shù)得,相對(duì)拷貝數(shù),即被測基因PCR產(chǎn)物相對(duì)豐度由2-ΔΔCt計(jì)算得到,利用不同品種的PCR產(chǎn)物相對(duì)豐度之間的倍數(shù)關(guān)系判斷基因拷貝數(shù)差異。具體操作如下:
(1)對(duì)不同被測樣本內(nèi)參基因Ct值進(jìn)行F測驗(yàn),在無顯著差異情況下進(jìn)行下一步分析;
(2)對(duì)不同被測樣本目的基因Ct值進(jìn)行F測驗(yàn),同一基因在不同樣本間存在顯著或極顯著差異的情況下進(jìn)行下一步分析;
(3)計(jì)算相對(duì)拷貝數(shù)比值,即基因PCR產(chǎn)物相對(duì)豐度比值,具體為:相對(duì)拷貝數(shù)比值=2-ΔΔCt樣本n/2-ΔΔCt樣本n+1,該比值大于2.5作為拷貝數(shù)差異閾值。
本發(fā)明所提供的大豆基因組基因拷貝數(shù)變異分析方法是基于熒光定量PCR結(jié)合DNA濃度均一化處理的分析方法,該方法具有低成本及技術(shù)難度低等特點(diǎn),克服現(xiàn)有基因拷貝數(shù)變異分析方法的高成本、技術(shù)要求高和操作難度大等缺點(diǎn),可用于大豆基因組任何編碼基因或區(qū)段的拷貝數(shù)變異定性分析和品種基因間拷貝數(shù)差異比較,便于實(shí)驗(yàn)室常規(guī)操作,輔助判斷因基因拷貝數(shù)變異引起的相應(yīng)基因組區(qū)段功能差異。
有益效果
1基因組DNA用量較高通量測序、微陣列法和原位雜交技術(shù)用量少103倍;
2與現(xiàn)有技術(shù)相比,無需進(jìn)行測序和雜交探針合成,成本低廉;
3操作簡單,只需進(jìn)行DNA提取,濃度均一化及PCR反應(yīng)即可獲得數(shù)據(jù),對(duì)實(shí)驗(yàn)人員技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)要求低,掌握基本的實(shí)驗(yàn)技能即可運(yùn)用本發(fā)明提供的方法,且周期短,可以實(shí)現(xiàn)大樣本分析;
4理論上可對(duì)任意基因組區(qū)段進(jìn)行拷貝數(shù)定性分析及品種間比較;
5適用于大樣本容量重組群體的拷貝數(shù)變異表型分析。
附圖說明
圖1模板DNA濃度均一化;A:DNA提取濃度檢測;B:RNA酶消化后DNA濃度檢測;
圖2基于高通量測序的拷貝數(shù)變異區(qū);注:染色體左側(cè)三角代表缺失區(qū)段(相對(duì)于參考基因組拷貝數(shù)低);染色體右側(cè)三角代表獲得區(qū)段(相對(duì)于參考基因組拷貝數(shù)高);
圖3目標(biāo)基因引物特異性檢測;
A:溫度梯度PCR檢測;B,C:引物特異性檢測。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
利用本方法對(duì)高通量測序獲得的拷貝數(shù)變異區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證
1)植物材料及DNA提取
采取SDS法提取大豆基因組DNA,采用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測和Lite紫外分光光度計(jì)聯(lián)合檢測DNA濃度并通過稀釋實(shí)現(xiàn)濃度均一化,將基因組DNA濃度調(diào)整為50ng/μL,-20℃保存?zhèn)溆谩4蠖拱揖€蟲多小種抗性大豆種質(zhì)東農(nóng)L-10為參照材料,感病大豆品種黑農(nóng)37、綏農(nóng)10和綏農(nóng)14為參照材料。
2)目標(biāo)基因引物設(shè)計(jì)及特異性分析
通過大豆基因組重測序(測序深度30x),獲得抗病品種東農(nóng)L-10和感病品種黑農(nóng)37之間拷貝數(shù)差異區(qū)(圖2,表1)。
表1基于基因組重測序的拷貝數(shù)變異區(qū)預(yù)測
結(jié)合主效QTL區(qū)段,選取拷貝數(shù)變異區(qū)內(nèi)27個(gè)候選基因進(jìn)行方法建立和驗(yàn)證試驗(yàn)(表2)。根據(jù)其CDS序列進(jìn)行基因特異性引物設(shè)計(jì),以東農(nóng)L-10為模板,通過設(shè)定6個(gè)溫度梯度PCR來確定最適退火溫度(圖3A),其中56℃引物和模板結(jié)合較好,產(chǎn)物特異性較好,確定為最適退火溫度;設(shè)置退火溫度為56℃,對(duì)27對(duì)基因特異性引物進(jìn)行4個(gè)模板DNA的PCR分析,經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳檢測,獲得22個(gè)特異性好的引物,用于拷貝數(shù)變異定性分析(圖3B-C)。
表2實(shí)時(shí)定量PCR引物序列
3)RT-qPCR分析
以β-actin為內(nèi)參基因,用內(nèi)參基因引物與步驟2)涉及的被測基因引物分別對(duì)基因組DNA模板進(jìn)行熒光定量PCR反應(yīng),與上述引物對(duì)分別對(duì)四種大豆基因組DNA進(jìn)行熒光定量PCR;熒光定量PCR檢測方法反應(yīng)體系為20μL,包括:2×熒光定量預(yù)混試劑(SuperRealPreMix Plus(2×))10.0μl,濃度為10μmol·L-1的PCR上下游引物各0.6μL,PCR Reverse Primer(10μmol·L-1)0.6μL,基因組DNA模板2μl,滅菌蒸餾水6.8μl;PCR程序包括:預(yù)變性95℃、15min;變性95℃、10s,退火56℃、20s,延伸72℃、20s,40個(gè)循環(huán)。
通過分析RT-qPCR獲得被測基因和內(nèi)參基因β-actin的Ct值,可知,四個(gè)品種內(nèi)參基因的Ct值在26–29之間,其中東農(nóng)L-10的CT值在26.07–29.62之間,其平均Ct值為26.64;黑農(nóng)37的Ct值在26.03-28.94之間,平均Ct值為27.07;綏農(nóng)10的Ct值在26.04-29.68之間,平均Ct值為27.68;綏農(nóng)14的Ct值在26.18-28.47之間,平均Ct值為27.01;四個(gè)品種內(nèi)參基因Ct值方差分析結(jié)果表明在P=0.05水平和P=0.01水平上均不顯著(表3)。由此可見,內(nèi)參基因β-actin在四個(gè)品種模板DNA濃度均一化后PCR產(chǎn)物豐度一致性較好,說明不同品種之間內(nèi)參基因β-actin在基因組模板DNA的初始含量一致,間接說明該基因在被測的不同品種間無拷貝數(shù)的差異,可以作為被測目標(biāo)基因的對(duì)照。
表3內(nèi)參基因β-actin Ct值方差分析
22個(gè)目的基因在四個(gè)品種中的Ct值差異較大,整體在13–32之間,其中東農(nóng)L-10的Ct值在13.46–31.78之間,其平均CT值為17.74;黑農(nóng)37的Ct值在15.47-32.85之間,平均CT值為19.47;綏農(nóng)10的CT值在14.86-28.88之間,平均Ct值為20.79;綏農(nóng)14的CT值在15.19-28.17之間,平均Ct值為19.58(表4)。以上結(jié)果說明在四個(gè)品種模板DNA濃度均一化后不同基因在特定品種當(dāng)中PCR產(chǎn)物豐度存在較大差異,間接說明不同基因在基因組DNA中初始含量不同,PCR產(chǎn)物豐度差異可以通過q RT-PCR方法檢測。
表4目的基因Ct值分析
4)拷貝數(shù)變異分析
通過F測驗(yàn),對(duì)同一品種不同基因以及同一基因不同品種進(jìn)行差異顯著性分析,結(jié)果表明目的基因18、21在抗病品種東農(nóng)L-10與感病品種綏農(nóng)14的中PCR產(chǎn)物豐度差異不顯著,目的基因1、2、17、23在東農(nóng)L-10與黑農(nóng)37中的PCR產(chǎn)物豐度差異達(dá)到顯著水平,目的基因22在東農(nóng)L10與綏農(nóng)10中的PCR產(chǎn)物豐度差異達(dá)到顯著水平,其他的15個(gè)目的基因的PCR產(chǎn)物豐度在抗病品種與感病品種間均呈極顯著差異,由此可以推斷這15個(gè)目的基因在抗感品種基因組中可能存在拷貝數(shù)變異(表5)。
表5 PCR產(chǎn)物豐度顯著性分析F測驗(yàn)值
注:F crit0.05=7.71;F crit0.01=21.20
表6 PCR產(chǎn)物相對(duì)豐度值
表7 PCR產(chǎn)物相對(duì)豐度比較值
在22個(gè)基因中,對(duì)PCR產(chǎn)物豐度在抗感品種間存在極顯著差異的15個(gè)基因進(jìn)行PCR產(chǎn)物相對(duì)豐度值的估算(表6),并進(jìn)行抗病品種東農(nóng)L-10和其他三個(gè)感病品種的PCR產(chǎn)物相對(duì)豐度值進(jìn)行比較(表7),目的基因4分別在東農(nóng)L-10和綏農(nóng)14,東農(nóng)L-10和綏農(nóng)10,東農(nóng)L-10和綏農(nóng)14中的PCR產(chǎn)物相對(duì)豐度比值較低,說明目的基因4在東農(nóng)L-10中拷貝數(shù)低于綏農(nóng)14、綏農(nóng)10、黑農(nóng)37的拷貝數(shù);目的基因15,24分別在東農(nóng)L-10和綏農(nóng)10、東農(nóng)L-10和黑農(nóng)37,東農(nóng)L-10和綏農(nóng)14、東農(nóng)L10和綏農(nóng)10中的PCR產(chǎn)物相對(duì)豐度比值較低,說明目的基因15、24在東農(nóng)L-10中拷貝數(shù)低于在綏農(nóng)10、綏農(nóng)14,黑農(nóng)37。目的基因8、11、27在東農(nóng)L-10和黑農(nóng)37的PCR產(chǎn)物相對(duì)豐度值較低,說明目的基因8、11、27在東農(nóng)L-10中拷貝數(shù)低于在黑農(nóng)37中的拷貝數(shù),其他的9個(gè)目的基因在東農(nóng)L-10和黑農(nóng)37,東農(nóng)L-10和綏農(nóng)10,東農(nóng)L-10和綏農(nóng)14中的PCR產(chǎn)物相對(duì)豐度比值均大于2.5,說明這9個(gè)目的基因在東農(nóng)L-10中的拷貝數(shù)高于在黑農(nóng)37,綏農(nóng)10,綏農(nóng)14中的拷貝數(shù),可定性為這9個(gè)目的基因在這四個(gè)品種中存在拷貝數(shù)變異(表7)。
SEQUENCE LISTING
<110> 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
<120> 一種大豆基因拷貝數(shù)變異分析方法
<130>
<160> 56
<170> PatentIn version 3.5
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<222> (1)..(20)
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cactgctcta acgaggcaca 20
<210> 20
<211> 20
<212> DNA
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<221> DNA
<222> (1)..(20)
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gcacaatttg ggaagaaaca 20
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<212> DNA
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<211> 20
<212> DNA
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<221> DNA
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gcagtttatg ggcagtggtg 20
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<221> DNA
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gaatgggtat caagtatgtg g 21
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<211> 20
<212> DNA
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<221> DNA
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agtgacgttg tggcagagga 20
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ccatgaaggc caacaagaag 20
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gctcagatat gaatgatacc caaa 24
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gctggcaacc atgacagaag 20
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<212> DNA
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<221> DNA
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acaggtcgat aagccgcagt 20
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<212> DNA
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tatggctgaa aggaagagga 20
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<212> DNA
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atgccttgtg gaatatgacc 20
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<212> DNA
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<220>
<221> DNA
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<400> 45
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<212> DNA
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<212> DNA
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<221> DNA
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<400> 48
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<210> 49
<211> 20
<212> DNA
<213> CNV25-F
<220>
<221> DNA
<222> (1)..(20)
<400> 49
gtgaagaaag cggaggtaga 20
<210> 50
<211> 19
<212> DNA
<213> CNV25-R
<220>
<221> DNA
<222> (1)..(19)
<400> 50
cccttgaatt tctggagga 19
<210> 51
<211> 20
<212> DNA
<213> CNV26-F
<220>
<221> DNA
<222> (1)..(20)
<400> 51
gtctgccacc actcctatta 20
<210> 52
<211> 23
<212> DNA
<213> CNV26-R
<220>
<221> DNA
<222> (1)..(23)
<400> 52
agggtttgta tctgaagagt tta 23
<210> 53
<211> 20
<212> DNA
<213> CNV27-F
<220>
<221> DNA
<222> (1)..(20)
<400> 53
aaccctccat tctcaacctc 20
<210> 54
<211> 20
<212> DNA
<213> CNV27-R
<220>
<221> DNA
<222> (1)..(20)
<400> 54
caaaggtcag gtgtaatccc 20
<210> 55
<211> 20
<212> DNA
<213> 內(nèi)參引物上游
<220>
<221> DNA
<222> (1)..(20)
<400> 55
gatctaccat gttcccaagt 20
<210> 56
<211> 20
<212> DNA
<213> 內(nèi)參引物下游
<220>
<221> DNA
<222> (1)..(20)
<400> 56
atagagccac caatccagac 20