CN103966218A - 烟草根特异启动子NtR2及其在转基因植物上的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及烟草根特异启动子NtR2及其在转基因植物上的应用,属于植物基因工程技术领域,本发明利用特异启动子来安全有效的解决烟草生产过程中的根部病虫害。所述烟草根特异启动子,其至少含有SEQIDNo.1所示的核苷酸序列。在pBI121上构建由NtR2::GUS融合基因的植物表达载体,遗传转化本生烟草,通过GUS染色,表明该启动子只在烟草根部表达,而不在烟草的其它器官表达,具有较强的特异性。
Description
技术领域
本发明涉及一种烟草根特异启动子NtR2及其在转基因植物上的应用,属于植物基因工程技术领域。
背景技术
长期以来烟草根部病害是影响烟草产量和品质的主要病害,如烟草青枯病、根腐病等,烟草青枯病是毁灭性病害,病菌从根部侵入,烟草青枯病是我国南方和长江流域的重要病害,属细菌性病害,主要从根部侵入,很快导致植株枯萎死亡;由于尚无有效的防治药剂,植物青枯病长期以来一直未能解决,对烟草青枯病的防治至今没有特效药可治。
关于根部特异表达的启动子报道较少。Schneider K等利用T-DAN标签技术分离克隆了可在Arabidopsis根毛表皮细胞中特异表达的核蛋白基因;Xu Y等对编码水稻根部特异表达蛋白的两个cDNA克隆(RCc2和RCc3的特性进行深入分析,发现其编码的蛋白主要在幼根中表达)。目前在烟草上已克隆出一些组织特异性的启动子,如种皮特异性启动子、花药特异启动子TA29等(Fobert,1994; 李国胜等, 1995)。Yamamoio等人(1991)报道烟草根特异表达的TobRB7基因的cds片段5’上游1800bp区段中的片段,具根组织特异表达调控功能,但主要在烟草幼根中表达。
福建农林大学油料所庄伟建等人(2010)报道烟草根特异启动子NtR12,在烟草根部表达,表达量大大超过对照Pbi121载体,茎部也微量表达,目前尚未见将烟草组织特异表达启动子应用于转外源目的基因的报道。
由于烟草是四倍体,遗传背景及其复杂,选育良好的栽培种非常困难,而目前主要栽培的品种经过多年栽培,已经容易产生根部病虫害。植物基因组学与功能基因组学的快速发展,通过分子育种来解决以往常规育种没有办法解决的科学难题已经成为了可能。定向的分子育种首先要考虑到启动子,不同类型的启动子给植物生长也带来不同的影响,随着转基因安全性得到了普遍关注,因此选择有效的启动子成为了当前分子安全育种的热点与难点。
发明内容
本发明提供了一种烟草根特异启动子NtR2及其在转基因植物上的应用,利用特异启动子来安全有效的解决烟草生产过程中的根部病虫害。
本发明的烟草根特异启动子,其至少含有SEQ ID No.1所示的核苷酸序列。
克隆该烟草根特异启动子的方法,是利用基因芯片进行了烟草各器官RNA差异杂交和表达谱分析,从中又筛选分离了高效根特异表达基因,RT-PCR鉴定特异基因的时空表达,克隆全长基因序列,进而克隆上游特异启动子;所述全长基因序列的核苷酸序列如SEQ ID No.2所示。
具体地说,是利用基因芯片进行了烟草各器官RNA差异杂交和表达谱分析,从中又筛选分离了高效根特异表达基因,对筛选得到的根特异表达基因进行鉴定,并克隆得到了全长特异基因,进而克隆特异基因上游的启动子,构建特异启动子驱动GUS基因的植物表达载体,经农杆菌介导将目的启动子导入本生烟草上,对转基因烟草进行GUS组织化学鉴定,确定了烟草启动子的特异性。具体如下:
1、利用基因芯片进行了烟草各器官RNA差异杂交和表达谱分析,从中又筛选分离了高效根特异表达基因;
2、烟草特异启动子NtR2的核苷酸序列如SEQ ID No.1所示;
3、构建的植物表达载体为pBI121- NtR2::GUS;所述的pBI121- NtR2::GUS指以NtR2为启动子,GUS为报告基因,Nos为终止子,Kam为筛选转基因阳性植株的植物表达载体;
4、 通过农杆菌介导法,获得转基因烟草阳性植株,通过GUS染色,证实了烟草启动子NtR12的特异性。
根据上述培育方法,已经成功获得转pBI121- NtR2::GUS载体的转基因烟草,通过与35S组合型启动子进行对比鉴定,在根部的表达量高于35S,而在转基因烟草茎部、叶片不表达,证实了烟草NtR2启动子的特异性,为烟草转基因安全育种提供了有利的前景。
本发明利用基因芯片进行了烟草各器官RNA差异杂交和表达谱分析,从中又筛选分离了高效根特异表达基因,克隆得到烟草根特异启动子NtR2,并利用特异启动子构建植物表达载体,建立以抗生素为筛选剂的转基因遗传体系,以及快速、高效的转基因检测技术,确定了烟草根部特异启动子的遗传表达,为分子育种烟草抗根部病害品种的培育奠定了良好的技术基础。
本发明的烟草根部特异启动子在转基因植物上的应用:所述转基因植物的制备方法,包括下述步骤:
(1) 将烟草根部特异启动子序列插入表达载体中,构建带该特异启动子驱动功能基因的植物表达载体。
(2) 利用所述植物表达载体导入农杆菌,获得转化体。
(3) 将所述的转化体转化植物,获得转基因植株。
通过PLANTCARE分析该烟草根部特异启动子NtR12启动子序列中存在基本的启动子序列TATA-box、GATA-box和CAAT-box。序列的碱基组成含量显示:NtR2启动子AT占64.6%,GC占35.8%。AT丰富序列的低复杂度有利于DNA双链结构的解螺旋,提高基因的转录效率。启动子存在GC盒,因为GC盒一般位于TATA-box和CAAT-box的上游,所以猜测这两个基因启动子序列可能都接近完整的启动子。使用PLANTCARE预测显示,这两个基因启动子都存在根启动子的保守序列盒,这为下一步连入抗病基因,进一步进行烟草转基因鉴定打下坚实的基础。
已有报导TobRB7基因启动子是唯一的烟草根特异表达启动子,主要在根端即幼根的伸长区表达,不在整个根系表达和伸长区以后的根部表达,因此不能满足烟草根部病害的转基因分子育种;而本发明得到的NtR2启动子只在烟草根部表达,将NtR2启动子转到pBI121载体上,遗传转化本生烟草,通过GUS染色,表明该启动子只在烟草根部表达。
本发明的烟草根特异启动子有以下优点:传统的分子育种所用的启动子为组合型35S启动子,它在植株各组织器官发育的不同阶段均表达,随着转基因安全性受到普遍的关注,组合型35S启动子已经不能满足转基因发展的需要,而且35S组合型启动子容易发生基因沉默;本研究所得到的NtR2根部特异启动子,在烟草的根部表达量比35S启动子要高,而叶片不表达,烟草是以收获叶片器官的经济作物,叶片上基因不表达,能提高烟草转基因的安全性。
大田烟草种植过程中容易受到许多根病虫害的危害,而给烟草生产和品质造成很到的损失,克隆烟草根特异启动子,通过分子设计育种,能够安全有效的解决烟草种植过程中的根茎病虫害。如图1所示,为烟草特异启动子驱使GUS基因在本生烟草的表达情况。从图中可以看出烟草特异启动子只在烟草根部表达,而不在烟草的其它器官表达,具有较强的特异性。
附图说明
图1为烟草特异基因pBI121- NtR2::GUS的RT-PCR结果。
图2为转pBI121- NtR2::GUS基因烟草GUS染色。
具体实施方式
【实施例1】烟叶根与叶片总RNA的提取
将K326原种盘栽,待烟株长至旺长期时,取烟株倒2、倒3、倒5、倒6、倒9叶位的叶片洗净,迅速将叶片以主脉为界,倒2、倒3叶位的叶片二等分;倒5、倒6叶位的叶片4等分,倒9叶位的叶片取叶片中间部位四等分,各取一份置于液氮中冷冻后置-80℃冰箱中保存。待叶片取样完毕时,迅速将根洗净,取白根置于液氮中冷冻后置-80℃冰箱中保存。取2.5g根(实验组Tester)与叶(驱动组Driver)置于研钵中加液氮研磨,取 0.1g倒入预冷的0.5ml异硫氰酸胍变性匀浆液中,充分混匀1min。加入0.1ml 2mol/L NaAc (pH4.0)混匀1min;加入0.5ml水饱和酚,振荡30秒,冰浴5min。加入0.2ml氯仿:异戊醇(24:1),剧烈振荡2次3min,冰上放置10min。4℃,12000g离心15min。小心移取上层水相,弃去中间和下层有机相。加入等体积酚:氯仿:异戊醇(25:24:1),振荡2次3min,冰上放置5min。4℃,12000g离心10-15min,移取上层水相,弃去中间和下层有机相。加入等体积异丙醇,放置-20℃ 30 分种以沉淀RNA。4℃,12000g离心15min收集RNA沉淀,用75%乙醇洗涤沉淀;将RNA沉淀在空气中干燥。用30ul RNase-free ddH2O或去离子甲酰胺溶解RNA沉淀。
【实施例2】利用DNA芯片分离目的基因
利用烟草青枯菌接种处理烟草植株,将受烟草青枯菌处理的烟草植株于3天、6天、9天、12天、15天后取烟草样品,对不同抗感烟草青枯病品种转录出来的所有mRNA标记,与DNA芯片杂交,通过分析杂交位点及信号强弱,可得知在不同时间、不同烟草部位各基因的表达程度。根据表达图谱进行不同条件下基因表达的对比分析,可找到在外部环境、各种细菌侵染时,哪些基因表达发生变化,变化多大,从而分析这些基因在受外部环境下,关键基因发生的生理功能,进而找出该生理功能的相关功能基因。通过分析基因表达,找出只在烟草根部表达量大的基因。相对于其他器官的表达,由于芯片的误差,几乎可以忽略不计。NtR2基因具体表达如表1所示。
表1 基因芯片中NtR2基因在烟草各组织基因表达情况
*TR-根; TL-叶; TS – 茎; TF- 花; TP- 果。
【实施例3】烟草根特异基因的克隆及序列特征分析
前期通过基因芯片分析受青枯菌胁迫的表达谱分离获得了一个长246bp的NtR2基因片段,通过生物信息学分析NtR2基因,为鉴定该基因的功能,合成了基因的特异引物NtR2-F:5’-aga ag ctg cat aac cga atg ttg caag-3’,以及NtR2-R:5’- agc tgg ttg cta cga cta ctc ag cttg -3’,进行烟草各组织的RT-PCR鉴定,反应程序为94 ℃ 5 min-(94 ℃ 30s- 52 ℃ 30 s -72 ℃ 60 s) 35 cycle-72 ℃ 10 min.再合成3' PCR Primer-5’-aagc agt ggt atc aac gca gag tggc cga ggc ggc cga ttt tttttt ttt ttt ttt ttt ttt ttt tt t-3’与NtR2-F:5’-aga ag ctg cat aac cga atg ttg caag-3,利用RACE方法克隆获得了基因的3’端cDNA片段,反应程序为94 ℃ 5 min-(94 ℃ 30s- 55 ℃ 30 s -72 ℃ 3 min) 35 cycle-72 ℃ 10 min。同时合成Lib45 5’gattctgtggataaccgtattaccgccttacgcgtgtaaaacg -3’以及NtR2R 5’- agctggttgctacgactactcagcttg -3’,利用RACE方法也克隆获得了基因的5’端cDNA片段,反应程序为94 ℃ 5 min-(94 ℃ 30s- 55 ℃ 30 s -72 ℃ 3 min) 35 cycle-72 ℃ 10 min。胶回收纯化后分别与pMD18-T连接,转化受体细胞后,挑阳性克隆进行测序,拼接后获得一条cDNA全长基因为849bp,核苷酸序列如SEQ ID No.2所示。
【实施例4】烟草根特异启动子的克隆及特性分析
提前种植烤烟K326材料,60d后选取幼根为材料,在液氮中研磨植物组织成粉末,并转移到在65℃预热的盛有抽提液的离心管中。在65℃温育45min,其间不时混匀。用等体积的24:1的氯仿/异戊醇抽提匀浆,颠倒混匀(温和)。4℃,10000rpm离心5min,回收上清液。在上清液中加入1/10体积的65℃的CTAB/Nacl的溶液,颠倒混匀(温和)。用等体积的24:1的氯仿/异戊醇抽提匀浆,颠倒混匀(温和)。4℃,10000rpm离心5min,回收上清液。加入1倍体积的CTAB沉淀液,翻转混匀,见到沉淀后进行下一步;否则于65℃温育30min。于4℃,10000rpm离心5min。移出上清,但不要丢弃,用0.5ml高盐的TE缓冲液重悬沉淀,如果沉淀难于重悬,于65℃温育30min,重复至所有的或大部分沉淀溶解。加入0.6倍体积的异丙醇沉淀核酸,充分混匀(温和),4℃,10000rpm离心15min。用80%乙醇洗沉淀,晾干,并用0.1ml的缓冲液溶解沉淀。最后加入1/20体积的RNA酶在37℃放1h。最后放在-20℃保存备用。用内切酶HindⅢ 、
EcoR I 和 Ase I对基因组DNA进行完全酶切,反应结束后,用无水乙醇沉淀回收DNA并溶解于10??l灭菌蒸馏水,DNA酶切产物与接头的连接反应,LongAd: 5’ GTAATACGACTCACTATAGGGCACGCGTGGTCGACGGCCCGGGCTGC 3’,ShortHind: 5 'P-AG
CTGCAGCCCG-NH2, ShortEco: 5’P-AATTGCAGC CCG-NH2 3’ 和ShortAse: 5’ P-TAGCAGCCCG-NH2 3’,16℃ 反应过夜。反应结束后,72℃处理15min,然后低温保存,进行两次PCR,将连接产物0.5??l加入16.5??l 灭菌蒸馏水中,94℃加热10min,依次加入10xLA PCR BufferII (Mg2+ plus)2.50??l,TaKaRa LATaq 0.25??l,dNTP Mixture(2.5m)4.00??l,AP1(10pm)0.50??l,SP1(10pm)0.50??l,进行第一次PCR,AP1: 5’-GTAATA CGACTCACTATAGGGC-3',NtR2-sp1:5' -CATTTGAAGATTTCATGGCAACCATC 3',PCR1反应程序:94 ℃ 5 min-(94 ℃ 30s- 55 ℃ 30 s -72 ℃ 3 min) 35 cycle-72 ℃ 10 min,将PCR1产物稀释50倍取1??l作为模板后,依次加入10x ExTaq PCR BufferII (Mg2+ plus) 2.50??l,TaKaRa LATaq 0.25??l,dNTP Mixture(2.5m)4.00??l,灭菌蒸馏水 16.25??l AP2(10pm)0.50??l,SP2(10pm)0.50??l,进行第二次PCR,所以得引物为AP2: 5’ TGGTCGACGGCCCGGGCTGC-3’,NtR2-sp2:5’- TCGCTGGGTACAGATAGTGTCCA-3’。PCR2反应程序: 94 ℃ 5 min-(94 ℃ 30s- 58 ℃ 30 s -72 ℃ 3 min) 35 cycle- 72 ℃ 10 min。PCR产物1%琼脂糖凝胶电泳检测,回收启动子目的片段。得到一个长度为:1574bp的NtR2基因的5’上游序列,核苷酸序列如SEQ ID No.1所示。
进一步利用PLACE(http://www.dna.affrc.go.jp/)预测分析了NtR12基因5’上游序列1574bp,发现其含有大多数高等植物启动子的保守元件,说明它具有潜在的启动子活性。预测结果表明含多个TATA box和CAAT box,此外高等植物启动子区核心保守序列一般比较靠近转录起始位点。另外,从NtR2基因的5’上游序列的预测结果看出该启动子区存在若干器官特异性表达和植物激素应答的特异元件,如含有多个YACT保守序列,该序列为植物细胞特异表达的顺式元件的重要组合部分。存在若干器官特异性表达和植物激素应答的特异元件,如CANNTG-基序、响应诱导物的应答元件W-Box(TGAC)及MYb元件响应植物激素元件。CANNTG和GATA等顺式作用元件是决定植物组织器官特异表达的转录因子结合点,MYb元件控制植物次生代谢、调节细胞形态建成及信号传导通路中起很大作用。通过上述分析可以说明NtR-2基因的5’上游序列具有启动子功能,并根据其相关保守序列说明该启动子具有一定的根特异表达的潜力,为下一步的功能验证奠下良好的基础。通过特异基因NtR2-RT-PCR如图1所示,结果表明,烟草特异启动子NtR2生长期基因只在烟草根部表达,而在烟草的其它部位不表达。
【实施例5】烟草NtR2基因启动子表达载体构建
通过设计引物为NtR2-F-Hind3 5’…accaaagcttGAATATCTTCAGTATATTCGT
TGTG…3’和NtR2-R-Xbal 5’….accatctagaGTCTCCTTCTTAATTTTCTATCAAAG…3’利用PCR扩增出目的片段,在引物两头设计两个HindIII与Xbal两个酶切位点,将含由GUS基因的pBI121载体和PCR扩增的到的NtR2启动子进行Xho I和Xbal进行双酶切,回收载体和目的片段,利用T4连接酶16℃过夜连接,转化涂板,于37℃培养箱过夜培养,挑取单克隆进行菌落PCR,将阳性克隆送去测序,所得的载体命名为pBI121- NtR2,将载体转入EHA105农杆菌中。
【实施例6】烟草的遗传转化
1. 烟草无菌苗的获得以及根瘤农杆菌侵染液的制备
往1.5毫升的离心管中放入大概200粒左右的CB—1烟草种子,用70%的酒精进行消毒1分钟,在超净工作台上用事先准备好的无菌水清洗三次用0.1%的砷汞进行消毒10-15分钟无菌水再次清洗5次,将处理好的无菌种子种植在1/2MS培养基上。
从YEB固体平板上挑取含有重组质粒的单菌落,接种到含有Rif 和Km的液体培养基中,28℃ 250rpm 培养过夜;取1ml过夜培养的菌液接种到30ml含有相应抗生素(或无任何抗生素)的YEB液体培养基中继续振荡培养,至O.D.600 =0.6-0.8,4000rpm, 4℃离心10min,弃上清;沉淀用20ml MS液体培养基(MS大量+ MS微量+20 g/l蔗糖,pH=5.8)重新悬浮备用。分光光度计测得此时菌液的O.D.600 在0.3-0.6左右。
2. 根瘤农杆菌介导的烟草遗传转化
外植体制备:取事先培养的无菌苗嫩叶,剪切成0.5×0.5cm大小。叶盘法转化:将处理好的外植体投入制备好的菌液中,浸泡侵染5mi后,用含有Cef 500mg/L的无菌水冲洗3-5次后,接种于共培养基中于28℃暗培养;2天后转入含有Cef 500mg/L、kam 50mg/L的叶片芽诱导培养基上筛选培养,控制温度为25-28℃、光强为2000lex、每天光照时间为12-14hr。等叶芽长至1cm大hr,转入生根培养基。待基部伸出大量根系、上部生长至3~4cm的幼苗转至盛有无菌沙土的培养盒内,炼苗后转入温室培养,并进行GUS检测。诱导培养基:培养基+0.1mg/L NAA+ 1mg/L 6-BA,共培养培养基:MS培养基+0.1mg/L NAA+ 1mg/L 6-BA,诱导筛选培养基:MS培养基+0.1mg/L NAA+1mg/L 6-BA+ 50mg/L kam +500mg/L Cef,生根培养基:MS培养基5mg/L Kam +500mg/L Cef。
【实施例7】GUS的组织化学染色及观察
取新鲜的转基因烟草植株,将烟草的根、茎、叶切成小块放入1.5ml的离心管中,加入GUS液(配置0.2mol/L的磷酸二氢纳溶液A与0.2mol/L磷酸氢二钠溶液B,取溶液A39ml+61ml溶液B+100ml无菌水配置成溶液C,使PH=7.0。取6.25ml的溶液C+13mg X-GLU+0.25ml二甲基亚砜+18.5ml ddH2O配成GUS染色液)。将含有植物材料和GUS染液的离心管,放到37℃的恒温培养箱里,染色3h。最后脱去染色液,通过70%的乙醇脱色后,观察照相。经过对转pBI121- NtR12基因的烟草各个不同组织染色观察如图2所示,结果表明在烟草根部出现蓝,而烟草的叶片与原来的一样,未发现有蓝色。特别是烟草的根部出现了很深的蓝色,即该启动子具有根部表达的特异性。而对照的转pBI121空载体进行观察,在烟草各各个器官均出现了蓝色现象,表明了以往35S组合型启动子不能适应未来转基因安全育种的要求。
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<211> 1574
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<213> 烟草(Nicotiana tabacum)
<400> 1
gaatatcttc agtatattcg ttgtgtattt tttcacttag attgtaaagt gtctatcaca 60
tctgatatag gtcgtagtcc taatggttgt gattatttaa ctgttacatt tcattgggtt 120
gatcatcact ggaacatgca aaaatatatt attggttata aatttgttga ttcaaaacac 180
actggagcat ttattgctac tactgttgta caaattatta atttttatgg attcatcaat 240
aaagttttaa ctatcacctt agataatact tctgctaagt gctaacacaa ctgcaacaac 300
tagcttaatg aaatgattgc aaaattaatc caacttatgc accggctatt aatgaaatga 360
ttgcaaaatt ttaaaagtat ttttttccta ttccccaagt ttatttaatt tctactatac 420
ttaacccatc tttaaaatta agaggtgcaa atggacttgt tcgtaaaatt tatgagaatt 480
tagcaattca agaaaatgaa caaccatctc tcgaagactg ccaaactaac atatattctt 540
atgttagatc aatatttgat aaatataaat ctatggaaac aacatgtggg tgaaactagg 600
gaagaagaag aatacaatga gatacttagg actgggagct atgacggcat ggaactcatg 660
gaacatcaat caacattgcc aattccataa caatgtccga gagaaattat aaataagtta 720
caacgaagtt atatatgagc ttacaaatat tagtatgata atttgtaatt ggctactaag 780
aggcctagtt caaacagaac ccttcctaga aggtggctgc atagattatg tgctattcaa 840
aagaattata tttgtatgtg agatttgaaa gttatattaa taaaataaaa ggctttaagc 900
gttgaatttg ttttatgaat tgtcttacac tctttagtta cttaatggct tgaaattgta 960
ttaaataaat tataactcta ttataaattt ataattacta gaatatttca ttacaagtct 1020
ttttttttaa tattttataa ttctttactt aattttctaa ttttcgttta atttttaagt 1080
ttattaaata agtcaaaaac taggtgttgc aaactttaaa aacttagtcg ttgtcaaaag 1140
aatagccgtt gccaaactca atgattaagt aatttttttt ttaaaacgac acttaaggcc 1200
cacgaacccg tcccgtcccg ttccgtccca tcccgtttgt tagcgggacg ggatgagatg 1260
gacctaccgt ttcgtcccgt cccggctaaa tatcgtcccg tcctgttgga cagccataga 1320
tacccctact tatgtgcact tccttggcct acggaattca aggaagatat atacagatct 1380
ctgaaatagg gaaacgcgcc atttcctgtt tatgaacttt tgaattaatc ataagcatta 1440
ttttcctaac acaatttcta cgcatgctta tataaattaa tatataatat gtcaagttgt 1500
aataatggtg ggggtattag ctagctatag tatacatttt aacacaaact ttgatagaaa 1560
attaagaagg agac 1574
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gcattttaac acaaattaaa cgttaataga aaattaagaa ggagacggcg aaaatgagga 60
gaggtttggt gatgctcagc ttgatggtgg ctgctgttat actttgcaat caccggtcgg 120
ctacggcgga agaggagcag caagtggaat tagcagaagt gagcaagagt aacacatggc 180
catggacact atctgtaccc agcgagaata atgatggttg ccatgaaatc ttcaaatgca 240
tggtgtaccc aaatagaagc tgcataaccg aatgttgcaa gtcatacccc ttcagtcttt 300
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attggatgta atataacagt ctcccgtggt tgttcactcc aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 840
aaaaaaaaa 849
Claims (3)
1.一种烟草根特异启动子,其至少含有SEQ ID No.1所示的核苷酸序列。
2.一种含有权利要求1所述的烟草根特异启动子的植物表达载体。
3.如权利要求1所述的烟草根部特异启动子在转基因植物上的应用。
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