CN110846429A - 一种玉米全基因组InDel芯片及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种玉米全基因组InDel芯片及其应用,本发明通过大规模的测序挖掘,确定了玉米基因表达区域的InDel位点及全基因组均匀分布的InDel位点,设计了基于Affimatrix Axiom的高通量InDel芯片,该芯片含有针对1536个InDel位点的探针。本发明的玉米全基因组InDel芯片可用于构建玉米DNA指纹数据库,进行玉米品种真实性鉴定、玉米品种鉴别或者鉴定,进行玉米聚类分析、玉米亲缘关系分析和种质资源分析;还可用于玉米连锁图谱构建、基因定位分析和玉米分子育种材料背景选择,应用范围广,效益显著。
Description
技术领域
本发明属于作物育种与分子生物学技术领域,具体地说,涉及一种玉米全基因组InDel芯片及其应用。
背景技术
插入/缺失(insertion-deletion,InDel)是指在近缘种或同一物种不同个体之间基因组同一位点的序列发生了不同大小核苷酸片段的插入或缺失,即一个序列上某一位点相比同源的另一个序列插入或缺失了一个或多个碱基。InDel是同源序列比对产生空位(gap)的现象,但大多数情况下无法获知祖先序列,很难判断空位位点是哪个序列发生了插入突变,或哪个序列发生了缺失突变,所以一般统称它们为插入/缺失突变。
分子标记(Molecular Markers),指可遗传并可检测的DNA序列,是以个体间核苷酸序列变异为基础的遗传标记,是DNA水平遗传多态性的直接的反映。传统分子标记,如RFLP(Restriction Fragment Length Polymorphism,限制性片段长度多态性)和SSR(Simple Sequence Repeat,简单重复序列)在过去的几十年中在玉米的遗传研究和分子育种上得到广泛应用。尤其是SSR标记,以其多态性高、等位基因多和检测方便等优点,在过去一直是我国农作物分子鉴定的主流标记;但由于SSR标记分布密度较低,数据共享难度较大,难以实现规模化和自动化,限制了其在作物分子育种上的大规模应用。
SNP(Single Nucleotide Polymorphism,单核苷酸多态性)作为第三代遗传标记,在基因组上分布最为丰富,具有二态性,单个SNP位点突变率低,易于通过芯片技术实现自动化和规模化,受到众多研究者的重视;但是SNP的芯片检测平台往往价格昂贵,不能兼顾基因型检测中的位点高通量和样品高通量。InDel作为新一代的遗传标记,兼具SSR和SNP标记的优点。与SSR相比,InDel本质上属于长度多态性,可以应用于目前玉米遗传研究实验室普及的毛细管电泳技术平台上分析,分型技术易于掌握和普及,InDel在结构上属于二等位基因多态性,等位基因固定并且已知,能够通过很小的扩增子进行,易于构建多重PCR扩增和电泳检测。InDel在基因组中分布广泛、密度大、数目众多,就分布密度而言,InDel仅次于SNP,但远高于SSR。与SNP相比,同属于二等位基因多态性,90%的InDel属于small InDel(InDel序列长度小于10bp),适用于芯片检测平台,而且基因型数据能在芯片和毛细管检测上实现跨平台整合,是最适合玉米大规模遗传研究和育种应用的标记。
Affymetrix公司的Axiom基因芯片技术是目前比较成熟和应用广泛的全基因组InDel检测平台。它利用独有的光导原位合成法,在经过处理的载玻片表面铺上一层连接分子(linker),其羟基上加有光敏保护基团,可用光照除去,用特制的光栏(light mask)保护不需要合成的部位,而暴露合成部位。在光作用下去除羟基上的保护基团,游离羟基,利用化学反应加上第一个核苷酸,所加核苷酸种类及在芯片上的部位预先设定,引入的核苷酸带有光敏保护基团,以便下一步合成。运用这种方法制作的芯片探针间隔为5~10μm,密度可高达106探针/cm2,目前该公司生产的玉米SNP芯片最多可以容纳60万个SNP标记。
为了加快玉米遗传研究和育种应用,亟需开发一种覆盖全基因组、数据共享性高、通量高、适用于多平台检测的玉米全基因组InDel芯片。
发明内容
本发明的目的是提供适用于多平台检测的玉米全基因组InDel位点。
本发明通过大规模的测序挖掘,确定了玉米基因表达区域的InDel位点及全基因组均匀分布的InDel位点。具体来说,本发明选择100份具有广泛代表性和时效性的玉米自交系,见表1,其中包括美国主要杂种优势群、由国内地方种质发展来的杂种优势群、由美国商业化杂交种选系发展来的杂种优势群以及近年来在中国玉米育种中应用的新种质,对材料进行重测序分析,从不同玉米材料中获得了大量的玉米自交系间的InDel变异,统计了1~20bpInDel变异位点784万多个,其中3-8bp的InDel变异170万多个。InDel兼具SSR(STR)和SNP的优点,InDel本质上属于长度多态性,可应用电泳检测进行基因分型分析;同时,InDel属于二等位基因多态,可利用芯片检测技术进行基因分型分析。本发明利用一系列条件对InDel变异位点进行筛选,挑选一批既具有电泳检测分析潜力又满足芯片设计要求的优异InDel位点,开发包含了4万多个InDel位点的评估筛选芯片,并利用335个具有广泛代表性和时效性的玉米材料对InDel芯片进行评估,从评选出的高多态性、芯片检测效果好的InDel位点中进一步挑选1536个InDel位点用于制备InDel检测芯片,具体所选位点及其在染色体上的位置如表2所示。本发明所述的InDel分子标记是指表2序列中方括号([])中的核苷酸。
表1 100份玉米测序自交系名单
本发明的1536个InDel位点挑选流程如下:
(一)40K InDel芯片中InDel位点的选择
(1)对100个玉米材料进行重测序,每个玉米材料测序数据约10Gb,利用bwa软件(0.7.0)将玉米材料的重测序序列比对到玉米参考基因序列上,利用Samtools和GATK软件进行小InDel变异发掘,InDel序列长度1~20bp,共发掘出7843126个InDel变异位点。
(2)为使InDel位点具有适应电泳分析的潜力,选择3~10bp长度的InDel位点,共有1705519个InDel位点。对这些InDel位点采用如下条件进行筛选:
a,保留有2个等位基因的InDel位点;
b,过滤掉MAF值小于0.1的InDel位点;
c,保留侧翼55bp序列没有其他InDel和SNP的InDel位点;
d,对InDel序列及侧翼55bp序列进行保守性分析,保留保守性高,单拷贝的InDel位点;
e,同时根据LD值,去除同一个单倍体型中相邻的InDel位点,以避免相邻位点所造成的冗余。
经过这几步过滤后,获得183237个InDels位点。将这些InDels整合在一个文件并提交给Affymetrix进行芯片转化效率评估,经Affyrnetrix评估,共有78691(42.94%)个InDels被评估为recommended InDel,62355(34.03%)个InDels被评估为neutral InDel,以及41191(23.03%)个not-recommended InDel。再经过最后的筛选,最终从78691个recommended InDels中选择了40793个用于合成MaizeIDP40K InDel芯片。
(二)1536个优异InDel的挑选
选择广泛代表型的玉米材料评估MaizeIDP40K InDel芯片,从中优选1536个数据质量高,多态性高,鉴别能力高,染色体分布均匀的1536个InDel位点,用于Maize2K InDel芯片合成,具体筛选步骤如下:
(1)选择具有广泛代表型的335份玉米材料利用MaizeIDP40K InDel芯片进行基因分型检测,并对MaizeIDP40K芯片上的InDel位点进行评估,评估出高多态性、芯片检测效果好的InDel标记24968个,这些InDel位点都是芯片检测数据质量高的InDel位点。
(2)抽取335个玉米材料的基因型数据,统计InDel标记的数据缺失率,进行InDel位点的多态性评估,计算InDel位点的最小等位基因频率(minor allele frequency,MAF)和鉴别能力值(discrimination power,DP)值,挑选数据缺失率低,MAF值大于0.4及DP值大于0.6的InDel位点7943个,即为高多态性、高鉴别能力的InDel位点。
(3)将玉米染色体划分为1536个Bin,7943个InDel标记覆盖了1422个Bin,同一个Bin上有多个InDel位点的,优选MAF值和DP值高的InDel位点;
(4)剩余InDel位点的填补。其中用功能标记填补26InDel位点,这些位点都符合上述InDel标记的筛选条件。在高密度基因区域(High Density Gene Region,HDGR)增加InDel标记,最终获得114个填补InDel标记。加上上一步挑选的1422个InDel标记,共计1536个InDel标记,采用Affymetrix的Axiom技术进行MaizeIDP2K InDel芯片合成。
基于此,本发明提供一种玉米全基因组InDel分子标记,其为以下1536个InDel分子标记中任意一个或多个,所述InDel分子标记的信息如表2所示,表中的位置是指玉米品种B73全基因组序列的版本号为B73 RefGen V3的基因组中的物理位置。[]中的-代表缺失。所述的InDel分子标记是指表2序列中方括号[]中的核苷酸。
表2
用于检测本发明所述的InDel分子标记的探针属于本发明的保护范围。
本发明还提供了上述探针在制备玉米全基因组InDel芯片中的应用。
本发明获得的InDel标记芯片,其具体实施方式通过以下步骤进行:
(1)探针及芯片制备。在Affymetrix公司进行1536个InDel位点探针的合成。
(2)样本DNA提取。按照所设计的玉米育种或者其他生物学研究实验,收集所需的样本,提取样本基因组DNA,根据所定制的InDel芯片要求配制特定浓度的样本基因组DNA溶液,并恰当保存。
(3)芯片检测。InDel位点基因分型。按照定制的芯片要求,在相应的基因分型仪器上通过处理后的样本基因组DNA和InDel芯片上的探针杂交,获得杂交信号数据,即芯片检测原始数据。
(4)基因分型分析。利用软件对芯片检测原始数据进行质量控制,选择杂交信号质量高的数据进行解析,转化为InDel位点的基因分型数据,与相应的玉米育种或其他生物学研究实验结合,选择相应的数据分析方法,得到相应的结果。
进一步,本发明提供一种玉米全基因组InDel芯片,该芯片含有本发明所述的用于检测上述InDel分子标记的探针。
本发明提供了上述InDel分子标记、或所述的探针、或所述的InDel芯片在构建玉米DNA指纹数据库中的应用。
本发明提供了上述InDel分子标记、或所述的探针、或所述的InDel芯片在玉米品种真实性鉴定或玉米品种鉴定中的应用。
利用本发明进行玉米品种真实性检测具体判断标准如下:
获得待测样品和对照样品在1536个InDel位点基因分型数据,并进行样品间数据比较,得到差异位点百分比。差异位点百分比的计算方法为D=(差异位点数n/比较位点数N)×100%(比较位点数必须大≥1460个,即数据缺失率<5%,N最大值为1536)。
(1)待测和对照品种间差异位点百分比≥5%,结论为检测到明显差异;
(2)待测和对照品种间差异位点百分比<5%,结论为未检测到明显差异。
本发明提供了上述InDel分子标记、或所述的探针、或所述的InDel芯片在玉米聚类分析、或玉米亲缘关系分析中的应用。
本发明提供了上述InDel分子标记、或所述的探针、或所述的InDel芯片在进行玉米种质资源分析中的应用。
本发明提供了上述InDel分子标记、或所述的探针、或所述的InDel芯片在玉米连锁图谱构建和基因定位中的应用。
本发明提供了上述InDel分子标记、或所述的探针、或所述的InDel芯片在玉米分子育种材料背景选择中的应用。
本发明通过全基因组开发出几百万个Indel位点,进一步设置了筛选条件,计算机评估出十几万候选的Indel位点,先合成了MaizeIDP40K InDel芯片对4万个Indel位点进行实验评估,评估出2.4万多个认为是效果好的Indel位点,也就是说有1.6万个Indel失败了,但是这1.6万个Indel计算机评估时也认为是真实的,效果好的Indel,由于计算机模拟评估和实验检测评估并非完全一致,以实验评估为准,本申请的1536个Indel是通过做实验评估出来的好的Indel位点,再次合成的1536indel芯片,所有的Indel位点都能获得好的检测结果,效果很好。本发明提供的玉米全基因组InDel芯片是一种中等密度的InDel芯片,该芯片包含了1536个染色体位置分布合理,数据缺失率低,多态性高,鉴别能力强,特异性好的InDel位点,适合于玉米品种鉴定、DNA指纹图谱构建、玉米种质资源分析、遗传连锁图谱构建及基因定位及分子育种应用,还适用于不同来源的玉米品种基因分型。
附图说明
图1为实施例2的24968个高质量InDel位点基因分型图。
图2为实施例2中335个玉米材料的遗传群体结构(K=2 to 10)图。
图3为实施例3的玉米InDel标记遗传连锁图谱。
图4为实施例3中玉米叶鞘显色基因定位。
具体实施方式
以下的实施例便于更好地理解本发明,需要理解的是一下实施例仅为了起到说明的目的,并不是用于对本发明的范围进行限制。下述实施例中的实验方法,如果没有特殊说明,均为常规方法。下述实施例中所用的实验试剂材料,如果没有特殊说明,均为常规生化试剂商店购买。实施例3使用Affymetrix公司的“Axiom2.0 Reagent Kit”,按照说明书进行实验操作。
实施例1 玉米全基因组InDel多态位点的获得与全基因组芯片的合成
(一)40K InDel芯片中InDel位点的选择
(1)对100个玉米材料进行重测序,每个玉米材料测序数据约10Gb,利用bwa软件(0.7.0)将玉米材料的重测序序列比对到玉米参考基因序列上,利用Samtools和GATK软件进行小InDel变异发掘,InDel序列长度1~20bp,共发掘出7843126个InDel变异位点。
(2)为使InDel位点具有适应电泳分析的潜力,选择3~10bp长度的InDel位点,共有1705519个InDel位点。对这些InDel位点采用如下条件进行筛选:
a,保留有2个等位基因的InDel位点;
b,过滤掉MAF值小于0.1的InDel位点;
c,保留侧翼55bp序列没有其他InDel和SNP的InDel位点;
d,对InDel序列及侧翼55bp序列进行保守性分析,保留保守性高,单拷贝的InDel位点;
e,同时根据LD值,去除同一个单倍体型中相邻的InDel位点,以避免相邻位点所造成的冗余。
经过这几步过滤后,获得183237个InDels位点。将这些InDels整合在一个文件并提交给Affymetrix进行芯片转化效率评估,经Affymetrix评估,共有78691(42.94%)个InDels被评估为recommended InDel,62355(34.03%)个InDels被评估为neutral InDel,以及41191(23.03%)个not-recommended InDel。再经过最后的筛选,最终从78691个recommended InDels中选择了40793个用于合成MaizeIDP40K InDel芯片。
(二)1536个优异InDel的挑选
选择广泛代表型的玉米材料评估MaizeIDP40K InDel芯片,从中优选1536个数据质量高,多态性高,鉴别能力高,染色体分布均匀的1536个InDel位点,用于Maize2K InDel芯片合成,具体筛选步骤如下:
(1)选择具有广泛代表型的335份玉米材料利用MaizeIDP40K InDel芯片进行基因分型检测,并对MaizeIDP40K芯片上的InDel位点进行评估,评估出PolyHighResolution(PHR)类的InDel标记24968个,这些InDel位点都是芯片检测数据质量高的InDel位点。
(2)抽取335个玉米材料的基因型数据,统计InDel标记的数据缺失率,进行InDel位点的多态性评估,计算InDel位点的最小等位基因频率(minor allele frequency,MAF)和鉴别能力值(discrimination power,DP)值,挑选数据缺失率低,MAF值大于0.4及DP值大于0.6的InDel位点7943个,即为高多态性、高鉴别能力的InDel位点。
(3)将玉米染色体划分为1536个Bin,7943个InDel标记覆盖了1422个Bin,同一个Bin上有多个InDel位点的,优选MAF值和DP值高的InDel位点;
(4)剩余InDel位点的填补。其中用功能标记填补26InDel位点,这些位点都符合上述InDel标记的筛选条件。在高密度基因区域(High Density Gene Region,HDGR)增加InDel标记,最终获得114个填补InDel标记。加上上一步挑选的1422个InDel标记,共计1536个InDel标记,采用Affymetrix的Axiom技术进行MaizeIDP2K InDel芯片合成。
实施例2 玉米40K InDel芯片在玉米种质资源分析中的应用
利用实施例1合成的MaizeIDP40K InDel芯片对来源广泛的335份玉米自交系进行InDel标记基因分型分析。芯片检测335份玉米自交系,芯片检测结果通过了数据分析软件Axiom analysis suite的质控检测,样品通过率99%,计算各InDel标记的基因分型数据的缺失率及MAF值,过滤掉数据缺失率大于5%及MAF值小于5%的InDel标记,获得24968个高质量InDel标记(图1),占比为61.2%。利用InDel标记的基因分型数据应用FAST STRUCTURE对335份玉米自交系进行群体遗传结构分析。群体遗传结构分析表明,K=10时,ΔK值最大,即本发明所分析的自交系群体可以划分为10个类群,分别为瑞德(Reid)群,兰卡斯特(Lankaster)群,唐四平头(SPT)群,旅大红骨(LRC)群,P群,Iodent群,改良瑞德群,X群,甜玉米群和糯玉米群(图2),该结果与种质资源来源系谱一致性较高,表明MaizeIDP40KInDel芯片非常适合用于玉米种质资源的分析应用。
实施例3 玉米InDel芯片在玉米基因定位中的应用
本实施例以玉米自交系叶鞘颜色突变体京92-G和京724为亲本构建F2群体,利用实施例1制得的MaizeIDP2K InDel芯片对F2群体及其亲本进行基因分型。经过分析,亲本京92-G和京724之间有差异且纯合的InDel有937个,占总InDel标记数的61%(937/1536),构建了包含玉米10条染色体的高密度遗传连锁图谱,该图覆盖玉米基因组长度为1943.96cM(图3),平均遗传距离为1.26cM,染色体的遗传连锁图长度122.21~316.76cM,每个染色体长度差异较大,因此各染色体的标记数也不同,7号染色体上标记数目最少,为54个,1号染色体上InDel做多,为151个。
亲本京92-G是玉米自交系京92的叶鞘颜色突变体,京92叶鞘显示为紫色,突变体京92-G为无色;亲本京724叶鞘显色为紫色,因此亲本京92-G和京724在叶鞘显色上有明显差异,F2群体中紫色叶鞘与无色叶鞘数量分别为276和84,比值约为3∶1,说明玉米叶鞘显色受单基因控制。利用MaizeIDP2K InDel芯片检测京92-G和京724的F2群体360株及其双亲,加上F2群体的叶鞘颜色表型数据,对控制叶鞘颜色进行基因定位,定位在InDel标记MP1524和MP1526之间5.17cM的范围,物理范围2300.9Kb(图4)。
该结果表明,该玉米InDel芯片(MaizeIDP2K InDel芯片)对玉米分离群体具有很好的基因分型能力,并且对玉米重要性状进行基因定位。
实施例4 MaizeIDP2K InDel芯片构建玉米InDel标记标准DNA指纹
1、DNA提取及质量鉴定
选择玉米品种300份,采用常规CTAB法分别提取基因组DNA,并去除RNA。用琼脂糖电泳和紫外分光光度计分别检测所提取DNA的质量,结果显示提取的基因组DNA均达到了相关的质量要求,即琼脂糖电泳显示DNA条带单一,没有明显弥散;紫外分光光度计检测A260/280介于1.8-2.0之间(DNA样品没有蛋白污染);A260/230介于1.8-2.0之间(DNA样品盐离子浓度低);270nm没有明显的光吸收(DNA样品没有酚污染);利用Qubit4进行基因组DNA的定量,并将所有玉米样品的基因组DNA稀释到20ng/ul。
2、MaizeIDP2K InDel芯片检测
采用实施例1制得的MaizeIDP2K InDel芯片对步骤1获得的各玉米品种的基因组DNA进行检测。具体按照Affymetrix的芯片检测标准流程操作,在GeneTitan系统上进行芯片杂交,芯片扫描,原始数据采集等,获得每个样本的原始数据。
3、玉米样本基因型指纹数据
原始数据导入Axiom Analysis Suite软件,分析每个玉米样品1536个位点的基因型,最后将获得的玉米品种InDel标记基因型数据导入玉米品种InDel标记DNA指纹数据库。
实施例5 MaizeIDP2K InDel芯片鉴别玉米品种的真实性
1、MaizeIDP2K InDel芯片进行玉米品种真实性检测结果判断标准的确定。与其它研究领域位点筛选原则不同,除了自交系样品之外,本发明还采用了大量杂交种作为评估材料,评估位点特异性、稳定性和品种区分能力,最终获得1536个核心InDel位点。将300份玉米杂交种(1984-2011年国家审定推广品种)两两比较差异位点百分比分析,结果显示,几乎所有成对比较样品(95.21%)之间差异位点百分比介于40%-75%之间;其中差异位点百分比为60%左右的占据最多;差异位点百分比低于5%的成对比较样品无,因此本发明确定的1536个InDel位点完全可以应用到玉米品种真实性鉴定中,达到区分确认品种的鉴定目的。根据以上结果,将差异位点百分比5%作为玉米品种真实性鉴定的判断标准。
另外,农业行业标准(NY/T1432-2014)《玉米品种鉴定技术规程SSR标记法》,此标准为基于SSR标记的玉米品种DNA指纹鉴定方法,此标准将40个SSR位点中大于等于2个位点差异的品种认为是不同品种,按照位点比率计算同为5%差异。利用本发明进行玉米品种真实性检测具体判断标准如下:获得待测样品和对照样品在1536个InDel位点基因分型数据,并进行样品间数据比较,得到差异位点百分比。差异位点百分比的计算方法为D=(差异位点数n/比较位点数N)×100%(比较位点数必须大≥1460个,即数据缺失率<5%,N最大值为1536)。
(1)待测和对照品种间差异位点百分比≥5%,结论为检测到明显差异;
(2)待测和对照品种间差异位点百分比<5%,结论为未检测到明显差异。
2、鉴定待测玉米样品是否为某已知对照玉米品种
以下将详述如何利用本发明的MaizeIDP2K InDel芯片鉴别待测玉米样品(代号为A)是否为已知的对照玉米品种郑单958(代号为B)。
DNA提取及质量鉴定:提取待测玉米样品(代号为A)和对照玉米品种郑单958(代号为B)的基因组DNA,进行DNA质量鉴定、芯片检测和1536个位点基因型指纹数据获得,具体方法同实施例4。
将样品A和样品B的1536个InDel标记基因型指纹数据进行比对,结果,A样品(待测玉米样品)和作为对照玉米样品的B样品(已知玉米品种郑单958)比较位点数为1536个,差异位点数为562个,差异位点百分比为37%。根据5%的判断标准,说明鉴定待测玉米样品A不是郑单958。
另外,采用目前我国正在使用的40个SSR核心位点进行真实性鉴定的行业标准(NY/T 1432-2014,玉米品种鉴定技术规程SSR标记法)进行检测,进一步证实玉米样品A不是郑单958。说明本发明的MaizeIDP2K InDel芯片能够准确鉴定玉米品种。
虽然,上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述,但在本发明基础上,可以对之作一些修改或改进,这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此,在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种玉米全基因组InDel分子标记,其特征在于,由表2所示的1536个InDel分子标记组成,所述InDel分子标记是指表2序列中方括号[]中的核苷酸。
2.用于检测权利要求1所述的InDel分子标记的探针。
3.权利要求2所述的探针在制备玉米全基因组InDel芯片中的应用。
4.一种玉米全基因组InDel芯片,其特征在于,含有权利要求2所述的探针。
5.权利要求1所述的InDel分子标记或权利要求2所述的探针或权利要求4所述的InDel芯片在构建玉米DNA指纹数据库中的应用。
6.权利要求1所述的InDel分子标记或权利要求2所述的探针或权利要求4所述的InDel芯片在玉米品种真实性鉴定或玉米品种鉴定中的应用。
7.权利要求1所述的InDel分子标记或权利要求2所述的探针或权利要求4所述的InDel芯片在玉米聚类分析、或玉米亲缘关系分析中的应用。
8.权利要求1所述的InDel分子标记或权利要求2所述的探针或权利要求4所述的InDel芯片在进行玉米种质资源分析中的应用。
9.权利要求1所述的InDel分子标记或权利要求2所述的探针或权利要求4所述的InDel芯片在玉米连锁图谱构建和基因定位中的应用。
10.权利要求1所述的InDel分子标记或权利要求2所述的探针或权利要求4所述的InDel芯片在玉米分子育种材料背景选择中的应用。
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