CN102367444A - 一种小麦低分子量麦谷蛋白亚基的基因及其用途 - Google Patents

一种小麦低分子量麦谷蛋白亚基的基因及其用途 Download PDF

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CN102367444A
CN102367444A CN2011103609450A CN201110360945A CN102367444A CN 102367444 A CN102367444 A CN 102367444A CN 2011103609450 A CN2011103609450 A CN 2011103609450A CN 201110360945 A CN201110360945 A CN 201110360945A CN 102367444 A CN102367444 A CN 102367444A
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China
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wheat
gene
lmw
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gln
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王涛
兰秋霞
冯波
徐智斌
赵国君
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Chengdu Institute of Biology of CAS
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Chengdu Institute of Biology of CAS
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Abstract

本发明属于生物技术领域,涉及一种小麦低分子量麦谷蛋白亚基的基因及其表达的蛋白。以我国西藏地方小麦品种毛颖秃麦为材料,首次从毛颖秃麦中克隆出了LMW-GS基因,提供一种新的小麦低分子量麦谷蛋白基因的核苷酸序列和表达蛋白的氨基酸序列。其核苷酸序列和氨基酸序列具有与优良品质相关的特征,该基因可作为小麦品质改良中的优质候选基因。

Description

一种小麦低分子量麦谷蛋白亚基的基因及其用途
技术领域
本发明涉及分子生物学、基因工程技术、农业育种领域,具体涉及一种小麦低分子量麦谷蛋白基因及其表达的蛋白。
背景技术
小麦是禾本科(Gramineae)小麦属(Triticum L.)一年生或越年生草本植物,是世界三大粮食作物(小麦、水稻和玉米)之一。随着人民生活水平的提高和食品加工业的飞速发展,对小麦品质的要求也越来越高。蛋白质的含量和质量是影响小麦营养品质和加工品质的关键因素。根据蛋白质的溶解特性将小麦籽粒蛋白分为清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白以及麦谷蛋白。清蛋白和球蛋白统称代谢蛋白,麦谷蛋白和醇溶蛋白统称贮藏蛋白。小麦种子的贮藏蛋白占小麦种子总蛋白的80%以上,是面粉中的主要蛋白,与小麦面粉加工品质密切相关。醇溶蛋白和麦谷蛋白分别决定面团的延展性和弹性。良好的弹性和延展性是制作优质面包的基础,与小麦的加工品质密切相关。麦谷蛋白是由多个蛋白质亚基通过二硫键相互作用、相互交联而形成的多聚体,分子量有数百万道尔顿,可分为两种类型:高分子量麦谷蛋白亚基(High-molecular-weightglutenin subunits,HMW-GS),分子量约为70-140kDa和低分子量麦谷蛋白亚基(Low-molecular-weightglutenin subunits,LMW-GS)分子量为20-50kDa。麦谷蛋白的肽链间的二硫键和分子内的二硫键能够相互结合,加之其蛋白质多为极性氨基酸组成,极易形成大分子聚合体,使面团具有一定的弹性。低分子量麦谷蛋白含量较高,约占整个种子贮藏蛋白的1/3,占麦谷蛋白的60%。因此选择优良的HMW-GS和LMW-GS等位基因是小麦品质改良中标记辅助选择的主要目标之一。HMW-GS基因拷贝数较少,分子量较大,易于用SDS-PAGE区分,其等位基因变异及其与小麦品质的关系已得到了广泛深入的研究,针对其重要亚基的功能标记也已经开发和广泛应用。LMW-GS及其编码基因的研究虽然已经取得了一定的进展,但由于LMW-GS数目较多、分子量较小、且在普通的SDS-PAGE电泳图谱上易与大量的醇溶蛋白相互重叠,因此对LMW-GS及其编码基因的数目以及LMW-GS与品质参数之间关系的研究很难有效的展开,有关这方面的研究仍在不断加强。近年来,随着一些新的研究方法的使用及一些已有研究方法的不断改进,很多LMW-GS蛋白得到分离鉴定,大量的LMW-GS基因得到克隆,特别是LMW-GS在小麦加工品质的重要性以及研究的必要性逐步得到认识,开展对LMW-GS基因的研究对于小麦品质的改良和提高具有重要意义,有关LMW-GS及其编码基因的研究也越来越受到重视。
发明内容
本发明以我国西藏地方小麦品种毛颖秃麦为材料,所要解决的技术问题是提供了一种新的小麦低分子量麦谷蛋白亚基基因的核苷酸序列及其表达蛋白的氨基酸序列。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
扩增上述小麦低分子量麦谷蛋白亚基基因的引物序列为:
P1:5’-ATGAAGACCTTCCTCGTCTTTG-3’;
P2:5’-TCAGTAGGCACCAACTCCG-3’
该种新的小麦优质低分子量麦谷蛋白亚基基因,其基因核苷酸序列为:
SEQ ID NO:1
1     ATGAAGACCT TCCTCGTCTT TGCCCTCCTC ACCGTTGCGG CGACAGGTGC AATTGCGCAG
61    ATGGAGACTA GATGCATCCC TGGTTTGGAG AGACCATGGC AGCAGCAACC ATTACCACCA
121   CAACAGACAT TTCCACAACA ACCACTATTT TCACAACAAC AACAACAACA ACTATTTCCT
181   CAACAACCAT CATTTTCGCA GCAACAACCA CCATTTTGGC AGCAACAACC ACCATTTTCT
241   CAGCAACAAC CAATTCTACC ACAGCAACCA CCATTTTCGC AGCAACAACA ACTAGTTCTA
301   CCGCAACAAC CACCATTTTC ACAGCAACAA CAACCAGTTT TACCTCCACA ACAATCACCT
361   TTTCCACAAC AACAACAACA ACACCAACAG CTGGTGCAAC AACAAATCCC TGTTGTTCAG
421   CCATCCATTT TGCAGCAGCT AAACCCATGC AAGGTATTCC TCCAGCAGCA GTACAGCCCT
481   GTGGCAATGC CACAACGTCT TGCTAGGTCG CAAATGTTGC AGCAGAGCAG TTGCCATGTG
541   ATGCAACAAC AATGTTGCCA GCAGTTGCCG CAAATCCCCC AGCAATCCCG CTATGAGGCA
601   ATCCGTGCTA TCATCTACTC CATCATCCTG CAAGAACAAC AACAGGTTCA GGGTTCCATC
661   CAATCTCAGC AGCAGCAACC CCAACAGTTG GGCCAATGTG TTTCCCAACC CCAACAGCAG
721   TCGCAGCAGC AACTCGGGCA ACAACCTCAA CAACAACAAT TGGCACAGGG TACCTTTTTG
781   CAGCCACACC AGATAGCTCA GCTTGAGGTG ATGACTTCCA TTGCGCTCCG TATCCTGCCA
841   ACGATGTGCA GTGTTAATGT GCCGTTGTAC AGAACCACCA CTAGTGTGCC ATTCGGCGTT
901   GGCACCGGAG TTGGTGCCTA CTGATAA
其表达蛋白的氨基酸序列为:
SEQ ID NO:2
1    MKTFLVFALL TVAATGAIAQ
21   METRCIPGLE RPWQQQPLPP
41   QQTFPQQPLF SQQQQQQLFP
61   QQPSFSQQQP PFWQQQPPFS
81   QQQPILPQQP PFSQQQQLVL
101  PQQPPFSQQQ QPVLPPQQSP
121  FPQQQQQHQQ LVQQQIPVVQ
141    PSILQQLNPC KVFLQQQYSP
161    VAMPQRLARS QMLQQSSCHV
181    MQQQCCQQLP QIPQQSRYEA
201    IRAIIYSIIL QEQQQVQGSI
221    QSQQQQPQQL GQCVSQPQQQ
241    SQQQLGQQPQ QQQLAQGTFL
261    QPHQIAQLEV MTSIALRILP
281    TMCSVNVPLY RTTTSVPFGV
301    GTGVGAY**
本发明从西藏地方小麦品种毛颖秃麦中克隆了一个低分子量麦谷蛋白亚基基因LMW-4基因,全长为927bp,在其编码区与其他LMW-GS基因和醇溶蛋白基因一样都是双终止密码子终止且中间无终止子。该基因编码307个氨基酸,分子量为32939.41Da。该蛋白结构与典型的LMW-GS基因编码蛋白的结构相似,分为信号肽、N-末端、重复区和C-末端四个区域。C-末端又可进一步划分为C-I、C-II、C-III三个区。由于N-末端的第一个氨基酸是甲硫氨酸,因此这个基因属于LMW-m类。LMW-GS中普遍存在的8个半胱氨酸残基,且在蛋白质序列中的分布是很保守的,其中第一和第七个半胱氨酸形成分子间二硫键,其他6个半胱氨酸残基可以彼此连接形成分子内的二硫键。麦谷蛋白的肽链间的二硫键和分子内的二硫键能够相互结合,加之其蛋白质多为极性氨基酸组成,极易形成大分子聚合体,使面团具有一定的弹性。但是本发明中LMW-4基因编码的蛋白只含有7个半胱氨酸残基。与典型的LMW-GS基因编码的蛋白的半胱氨酸残基相比较,由于碱基G突变成了A,使得在其氨基酸序列的158位一个半胱氨酸突变成了一个酪氨酸,从而使得这个LMW-GS基因编码的蛋白具有7个半胱氨酸残基。前人的研究发现具有7个半胱氨酸残基的LMW-GS与小麦的优良性状呈现正相关,因此LMW-4基因可能与小麦的优良品质相关。基于上述原因,LMW-4基因可作为小麦品质改良过程中的候选基因。SDS-PAGE(十二烷基硫酸钠-聚丙稀酰胺凝胶电泳)和蛋白飞行时间质谱(MOLDI-TOLF)对这个新发现LMW-GS基因编码的蛋白进行了分离和鉴定。
与现有技术相比,本发明具有的优点如下:
1.本发明首次从西藏地方小麦品种毛颖秃麦中克隆出了一种低分子量麦谷蛋白亚基基因。
2.本发明中的测序和序列分析结果表明,LMW-4基因与已经公布的典型LMW-GS基因具有相似之处,但其具有独特之处,并且其独特之处是导致优良性状的潜在因素。
一种具有SEQ ID NO:1所示核酸序列的小麦优质低分子量麦谷蛋白亚基基因的制备方法包括下述步骤:
1.种子基因组DNA提取
a.干种子30mg(取胚乳部分),研成粉沫,转入2ml离心管中。
b.加入200μl提取缓冲液(200mM Tris-HCl pH7.5,2.88M NaCl,25mM EDTA,0.5%SDS)浸泡30min。
c.加入600μl提取缓冲液,剧烈震荡1min,4℃12000rpm离心10min,取上清液至新管。
d.加入等体积预冷的Tris饱和酚/氯仿/异戊醇(Tris饱和酚、氯仿、异戊醇的体积比为25∶24∶1),混匀,4℃12000rpm离心10min,小心将上清转入新管。
e.加入等体积预冷氯仿/异戊醇(氯仿、异戊醇的体积比为24∶1),混匀,4℃12000rpm离心10min,上清至新管。
f.向上清液中加入600μl预冷的异丙醇,轻轻颠倒几次,-20℃沉淀30min,4℃10000rpm离心,弃上清。
g.用500μl 70%的乙醇清洗DNA沉淀,4℃8000rpm离心5min,重复一次。
h.沉淀放超净工作台中室温干燥。
i.加入50μl灭菌ddH2O,4℃溶解12h。
j.1%琼脂糖凝胶电泳检测DNA浓度。
2.PCR扩增
(1)引物设计
LMW-GS基因的N-端和C-端序列高度保守,参照Ikeda和Pei等人的研究,选取了特异引物扩增低分子量麦谷蛋白基因的编码区。引物序列如下:
P1:5’-ATGAAGACCTTCCTCGTCTTTG-3’;
P2:5’-TCAGTAGGCACCAACTCCG-3’
(2)PCR反应
a.反应体系为20μl:
Figure BDA0000108604630000041
b.反应条件:
95℃预变性5分钟;95℃变性30秒,58℃退火30秒,72℃延伸50秒,共35个循环;最后72℃延伸10分钟。
1%琼脂糖胶检测PCR产物,1kb DNALadder Markers为鼎国生物公司生产。
(3)PCR产物的回收纯化
琼脂糖凝胶电泳后,紫外灯下切下目的条带,用BIOMIGA公司的DNA凝胶回收试剂盒进行回收。
3.PCR产物的克隆
(1)连接反应
回收的PCR产物与pGEM-T vector(Tiangen)16℃连接过夜,反应体系如下:
Figure BDA0000108604630000051
(2)感受态细胞的制备与大肠杆菌的转化
a.划板复壮宿主菌DH-5α。
b.挑取1个生长良好的单菌落(直径2-3mm)至含有30ml LB液体养基的锥形瓶中,37℃200rpm振荡培养过夜。
c.取500μl菌液接种50ml LB液体培养基,37℃震荡培养至OD600=0.3-0.4。
d.菌液转入无菌一次性使用冰预冷的50ml离心管中,冰上放置10min。
e.4℃4100rpm离心10min,收集细胞。
f.弃上清,用10ml冰预冷的0.1M CaCl2溶液悬浮细胞,冰上放置10min,4℃4100rpm离心10min,重复此步骤一次。
g.用2ml冰预冷的0.1M CaCl2溶液悬浮细胞,加入灭菌甘油至终浓度30%,分装后放至0℃备用或存于-70℃。
h.加10μl连接产物至100μl的感受态细胞中,轻弹管壁混匀内含物,冰上放置30min。
i.42℃热激90秒,立即插入冰中冷却2min。
j.加入800μl 37℃预热的LB液体培养基,37℃,200rpm,振荡培养45分钟。
k.4000rpm离心4秒,吸掉700μl上清,剩下的吹散细胞,均匀的铺于涂有IPTG,X-Gal和Amp 80μg/mlLB平板,37℃倒置培养12-16小时,置4℃冰箱中显色4-6小时。
(3)质粒的小量提取
用于酶切验证或PCR检测
a.挑取单菌落于10ml LB+(Amp 80μg/ml)液体培养基,37℃培养过夜。
b.取1.5ml菌液至的2ml离心管中,12000rpm离心2分钟,弃上清,收集菌体,重复一次。
c.加100μl冰预冷的溶液I(50mM葡萄糖、25mM Tris-HCl pH8.0、10mM EDTA pH8.0),震荡,充分悬浮菌液,室温放置5分钟。
d.加新鲜配制的200μl的溶液II(0.2MNaOH、1%SDS),上下颠倒不超过5次,冰上放置5分钟。
e.加150μl冰预冷的溶液III(60ml 5M乙酸钾、11.5ml冰乙酸、28.5ml ddH2O)
上下颠倒不超过5次,冰上放置,直至形成紧实的团块,12000rpm离心10分钟,上清移至新离心管。
f.加等体积的酚/氯仿(1∶1)抽提一次,12000rpm离心5分钟,上清移至新离心管。
g.加2倍体积的无水乙醇,混匀,-20℃放置1小时,12000rpm离心10分钟。
h.用75%乙醇洗涤沉淀,12000rpm离心5分钟,重复一次。
i.吹干,溶于50μl灭菌ddH2O(含0.02mg/ml RNase)中,做电泳检测。
(4)重组质粒PCR和酶切鉴定
a.按PCR反应体系和程序进行重组质粒鉴定。
b.酶切鉴定体系如下:
Figure BDA0000108604630000061
37℃酶切4小时,然后1%琼脂糖凝胶电泳检测,限制性内切酶EcoRI购自大连宝生物工程公司(TaKaRa)。
(5)序列测定
以上经鉴定的质粒,以SP6和T7为引物,由SINOGENOMAX公司进行DNA序列测定。
综上可知,本发明中获得的LMW-4基因不仅扩大了小麦低分子量麦谷蛋白亚基的基因库,而且因其具有独特的特征,可作为小麦品质改良过程中的优良的候选基因。
具体实施方式
毛颖秃麦和加查毛颖麦是遗传背景相似的西藏地方小麦品种,亲缘关系很近,且这两个小麦品种在品质、性状方面也相似。序列分析表明毛颖秃麦具有LMW-4基因,加查毛颖麦不具有LMW-4基因。实验测定毛颖秃麦的沉降值为44mL,加查毛颖麦的沉降值为25mL,前者较后者提高了76%。
SEQUENCE LISTING
 
<110>  中国科学院成都生物研究所
 
<120>  一种小麦低分子量麦谷蛋白亚基的基因及其用途
 
<130>  说明书
 
<160>  3    
 
<170>  PatentIn version 3.3
 
<210>  1
<211>  927
<212>  DNA
<213>  Triticum L.
 
<400>  1
atgaagacct tcctcgtctt tgccctcctc accgttgcgg cgacaggtgc aattgcgcag     60
 
atggagacta gatgcatccc tggtttggag agaccatggc agcagcaacc attaccacca    120
 
caacagacat ttccacaaca accactattt tcacaacaac aacaacaaca actatttcct    180
 
caacaaccat cattttcgca gcaacaacca ccattttggc agcaacaacc accattttct    240
 
cagcaacaac caattctacc acagcaacca ccattttcgc agcaacaaca actagttcta    300
 
ccgcaacaac caccattttc acagcaacaa caaccagttt tacctccaca acaatcacct    360
 
tttccacaac aacaacaaca acaccaacag ctggtgcaac aacaaatccc tgttgttcag    420
 
ccatccattt tgcagcagct aaacccatgc aaggtattcc tccagcagca gtacagccct    480
 
gtggcaatgc cacaacgtct tgctaggtcg caaatgttgc agcagagcag ttgccatgtg    540
 
atgcaacaac aatgttgcca gcagttgccg caaatccccc agcaatcccg ctatgaggca    600
 
atccgtgcta tcatctactc catcatcctg caagaacaac aacaggttca gggttccatc    660
 
caatctcagc agcagcaacc ccaacagttg ggccaatgtg tttcccaacc ccaacagcag    720
 
tcgcagcagc aactcgggca acaacctcaa caacaacaat tggcacaggg tacctttttg    780
 
cagccacacc agatagctca gcttgaggtg atgacttcca ttgcgctccg tatcctgcca    840
 
acgatgtgca gtgttaatgt gccgttgtac agaaccacca ctagtgtgcc attcggcgtt    900
 
ggcaccggag ttggtgccta ctgataa                                        927
 
 
<210>  2
<211>  307
<212>  PRT
<213>  Triticum L.
 
<400>  2
 
Met Lys Thr Phe Leu Val Phe Ala Leu Leu Thr Val Ala Ala Thr Gly
1               5                   10                  15     
 
 
Ala Ile Ala Gln Met Glu Thr Arg Cys Ile Pro Gly Leu Glu Arg Pro
            20                  25                  30         
 
 
Trp Gln Gln Gln Pro Leu Pro Pro Gln Gln Thr Phe Pro Gln Gln Pro
        35                  40                  45             
 
 
Leu Phe Ser Gln Gln Gln Gln Gln Gln Leu Phe Pro Gln Gln Pro Ser
    50                  55                  60                 
 
 
Phe Ser Gln Gln Gln Pro Pro Phe Trp Gln Gln Gln Pro Pro Phe Ser
65                  70                  75                  80 
 
 
Gln Gln Gln Pro Ile Leu Pro Gln Gln Pro Pro Phe Ser Gln Gln Gln
                85                  90                  95     
 
 
Gln Leu Val Leu Pro Gln Gln Pro Pro Phe Ser Gln Gln Gln Gln Pro
            100                 105                 110        
 
 
Val Leu Pro Pro Gln Gln Ser Pro Phe Pro Gln Gln Gln Gln Gln His
        115                 120                 125            
 
 
Gln Gln Leu Val Gln Gln Gln Ile Pro Val Val Gln Pro Ser Ile Leu
    130                 135                 140                
 
 
Gln Gln Leu Asn Pro Cys Lys Val Phe Leu Gln Gln Gln Tyr Ser Pro
145                 150                 155                 160
 
 
Val Ala Met Pro Gln Arg Leu Ala Arg Ser Gln Met Leu Gln Gln Ser
                165                 170                 175    
 
 
Ser Cys His Val Met Gln Gln Gln Cys Cys Gln Gln Leu Pro Gln Ile
            180                 185                 190        
 
 
Pro Gln Gln Ser Arg Tyr Glu Ala Ile Arg Ala Ile Ile Tyr Ser Ile
        195                 200                 205            
 
 
Ile Leu Gln Glu Gln Gln Gln Val Gln Gly Ser Ile Gln Ser Gln Gln
    210                 215                 220                
 
 
Gln Gln Pro Gln Gln Leu Gly Gln Cys Val Ser Gln Pro Gln Gln Gln
225                 230                 235                 240
 
 
Ser Gln Gln Gln Leu Gly Gln Gln Pro Gln Gln Gln Gln Leu Ala Gln
                245                 250                 255    
 
 
Gly Thr Phe Leu Gln Pro His Gln Ile Ala Gln Leu Glu Val Met Thr
            260                 265                 270        
 
 
Ser Ile Ala Leu Arg Ile Leu Pro Thr Met Cys Ser Val Asn Val Pro
        275                 280                 285            
 
 
Leu Tyr Arg Thr Thr Thr Ser Val Pro Phe Gly Val Gly Thr Gly Val
    290                 295                 300                
 
 
Gly Ala Tyr
305        
 
 
<210>  3
<211>  41
<212>  DNA
<213>  Triticum L.
 
<400>  3
atgaagacct tcctcgtctt tgtcagtagg caccaactcc g                         41
 
 

Claims (3)

1.一种小麦低分子量麦谷蛋白亚基基因,其特征是:具有如下核苷酸序列:
SEQ ID NO:1
1    ATGAAGACCT TCCTCGTCTT TGCCCTCCTC ACCGTTGCGG CGACAGGTGC AATTGCGCAG
61   ATGGAGACTA GATGCATCCC TGGTTTGGAG AGACCATGGC AGCAGCAACC ATTACCACCA
121  CAACAGACAT TTCCACAACA ACCACTATTT TCACAACAAC AACAACAACA ACTATTTCCT
181  CAACAACCAT CATTTTCGCA GCAACAACCA CCATTTTGGC AGCAACAACC ACCATTTTCT
241  CAGCAACAAC CAATTCTACC ACAGCAACCA CCATTTTCGC AGCAACAACA ACTAGTTCTA
301  CCGCAACAAC CACCATTTTC ACAGCAACAA CAACCAGTTT TACCTCCACA ACAATCACCT
361  TTTCCACAAC AACAACAACA ACACCAACAG CTGGTGCAAC AACAAATCCC TGTTGTTCAG
421  CCATCCATTT TGCAGCAGCT AAACCCATGC AAGGTATTCC TCCAGCAGCA GTACAGCCCT
481  GTGGCAATGC CACAACGTCT TGCTAGGTCG CAAATGTTGC AGCAGAGCAG TTGCCATGTG
541  ATGCAACAAC AATGTTGCCA GCAGTTGCCG CAAATCCCCC AGCAATCCCG CTATGAGGCA
601  ATCCGTGCTA TCATCTACTC CATCATCCTG CAAGAACAAC AACAGGTTCA GGGTTCCATC
661  CAATCTCAGC AGCAGCAACC CCAACAGTTG GGCCAATGTG TTTCCCAACC CCAACAGCAG
721  TCGCAGCAGC AACTCGGGCA ACAACCTCAA CAACAACAAT TGGCACAGGG TACCTTTTTG
781  CAGCCACACC AGATAGCTCA GCTTGAGGTG ATGACTTCCA TTGCGCTCCG TATCCTGCCA
841  ACGATGTGCA GTGTTAATGT GCCGTTGTAC AGAACCACCA CTAGTGTGCC ATTCGGCGTT
901  GGCACCGGAG TTGGTGCCTA CTGATAA。
2.根据权利要求1所述的小麦低分子量麦谷蛋白亚基基因,其特征是:其表达蛋白的氨基酸序列为:
SEQ ID NO:2
1    MKTFLVFALL TVAATGAIAQ
21   METRCIPGLE RPWQQQPLPP
41   QQTFPQQPLF SQQQQQQLFP
61   QQPSFSQQQP PFWQQQPPFS
81   QQQPILPQQP PFSQQQQLVL
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3.权利要求1或2所述的小麦低分子量麦谷蛋白亚基基因在作物遗传育种中的用途。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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