CN113215267B - 用于大熊猫个体识别及亲子鉴定的snp引物组及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于大熊猫个体识别及亲子鉴定的SNP引物组及应用,所述SNP引物组包括61组引物组,其核苷酸序列如SEQ ID NO.1‑122所示。该SNP引物组稳定性高,多态信息含量丰富,能够通过该组引物进行大熊猫个体识别、亲子鉴定和遗传多样性研究。
Description
技术领域
本发明属于生物技术领域,具体地说,涉及一种用于大熊猫个体识别及亲子鉴定的SNP引物组及应用。
背景技术
大熊猫(Ailuropoda melanoleuca)种群规模小、遗传交流受限,面临非自然选择的危险,可能导致遗传变异损失。圈养大熊猫“多雄配一雌”的交配方式也会带来诸如亲子关系混乱、近亲繁殖等问题。应用遗传标记对大熊猫进行个体识别、亲缘关系鉴定、种群遗传评估已成为大熊猫保护生物学研究的重要课题。
过去的二十年来,大熊猫个体识别和亲子鉴定主要采用的是微卫星(短串联重复序列,Short Tandem Repeat,STR)标记。STR标记由串联重复序列组成,PCR扩增容易产生滑链现象。更严峻的是,STR一般都是多拷贝的,在基因组的不同位置存在大量类似或相同的DNA序列。因此,在研究基础较为薄弱的野生动物上,使用STR标记有很大风险。特别是在缺乏数据比对的情况下,STR标记质量参差不齐,非常容易出现多重扩增、零扩增等现象,干扰分型结果,造成分型错误。
单核苷酸多态性(Single Nucleotide Polymorphism,SNP)是DNA序列多态性的一种类型,被认为是继STR后的第三代遗传标记,近些年来SNP在法医学实践上显示出强大的优越性。SNP广泛存在于哺乳基因组中,大约每1000bp存在一个SNP。迄今为止国内外尚无大熊猫亲子鉴定/个体识别SNP标记研发的报道。
因此有必要提供一种用于大熊猫个体识别及亲子鉴定的SNP引物组。
发明内容
有鉴于此,本发明针对STR标记分型结果混乱的问题,提供了一种用于大熊猫个体识别及亲子鉴定的SNP引物组及应用,该SNP引物组能扩增出61个具有多态性且重复性好的核苷酸序列,该SNP引物组所检测的是“点”突变;该SNP引物组稳定性高,多态信息含量丰富,能够通过该组引物进行大熊猫个体识别、亲子鉴定和遗传多样性研究。
为了解决上述技术问题,本发明公开了一种用于大熊猫个体识别及亲子鉴定的SNP引物组,包括r636904引物对,r1311895引物对,r2889403引物对,r925405引物对,r401737引物对,r17661引物对,r288799引物对,r34615引物对,r1406821引物对,,r145504引物对,r879785引物对,r841819引物对,r2493899引物对,r763927引物对,r1714363引物对,r816202引物对,r609807引物对,r496126引物对,r242464引物对,r1461164引物对,r958037引物对,r126528引物对,r522200引物对,r471529引物对,r1026824引物对,r815065引物对,r495366引物对,r127759引物对,r640323引物对,r127172引物对,r2345828引物对,r278350引物对,r206951引物对,r475062引物对,r667663引物对,r117235引物对,r146785引物对,r568897引物对,r786755引物对,r464156引物对,r703016引物对,r244142引物对,r327235引物对,r56847引物对,r25273引物对,r3962引物对,r801548引物对,r150892引物对,r881866引物对,r496796引物对,r5737376引物对,r42329#2引物对,r80086引物对,r492886引物对,r523100引物对,r168774引物对,r1412204引物对,r54799引物对,r2038579引物对,r2827781引物对,r118957引物对,其核苷酸序列如SEQ ID NO.1-122所示。
本发明还公开了一种上述的的SNP引物组在大熊猫的个体识别和亲子鉴定中的应用。
进一步地,所述应用为在大熊猫个体识别、亲子鉴定和遗传多样性中的应用。
进一步地,采用核酸质谱方法进行基因分型,其孔位组合、扩增子长度、延伸引物和SNP分子量如表所示:
与现有技术相比,本发明可以获得包括以下技术效果:
1)本发明首次获得大熊猫个体识别SNP标记。与微卫星为代表的二代分子标记相比,SNP标记属于第三代分子标记,识别精度有了质的突破,不再受限于片段长度,达到了单碱基识别水平。
2)本发明的PCR扩增片段长度在92-120bp之间,可以对部分降解的DNA材料进行检测,应用高灵敏度的核酸质谱仪,甚至可以检测到少至5ng的模板DNA。
3)本发明能够更加准确地对圈养大熊猫进行亲子鉴定和个体识别,完善系谱,整顿血缘,还可以为今后大熊猫的分子进化、野外大熊猫的个体识别、群体迁移、行为生态等方面的研究提供非常有用的分子标记。对于其他珍稀物种的保种、育种计划的制定和实施,也具有非常重要的参考价值。
当然,实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
具体实施方式
以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式,藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
实施例1制备用于大熊猫个体识别及亲子鉴定的SNP引物组
(1)提取7组家系(每组至少3只个体)56只大熊猫的DNA;
用灭菌的剪刀于2ml的EP管中将大约500uL血凝块剪碎;依次加入等体积的裂解缓冲液,所述裂解缓冲液中含TNE(1X)、20%体积的SDS(10%)和30uL的蛋白酶K(20mg/ml),混合均匀,置于水浴箱中振荡,55℃消化过夜;溶液冷却至室温,加入等体积的Tris-饱和酚,在恒温振荡箱中振荡8-12h,12000rpm离心10分钟,将上清液移至另一离心管;加入等体积苯酚:氯仿:异戊醇(25:24:1)混合液,振荡箱中振荡2~3h后,取出12000r/min离心10min,取上清液;加入等体积的氯仿,上下颠倒数分钟后,12000r/min离心10min,再次转移上清液;加入2倍体积的冰乙醇,-20℃放置30min,12000r/min离心5min,弃上清;75%酒精洗涤沉淀2-3次,最后100%乙醇洗涤,于室温下风干DNA;加入适量的TE缓冲液溶解沉淀,储存于4℃或-20℃备用。
用IlluminaHiseq 4000平台,对56只大熊猫进行简化基因组测序GBS(Genotyping-by-sequencing)。项目的原始数据过滤标准如下:(1)过滤接头,去污染;(2)为了得到更高质量的数据,如果一条read,它的低质量(Q≤5(E))的碱基数占整条read的一半以上,则去掉该reads。(3)去除用于样品识别的标签序列。经过数据过滤后,共产出27.72Gb clean data。
(2)用简化基因组测序GBS(Genotyping-by-sequencing)技术进行基因分型:文库构建时采用ApeKI对每个样品的基因组DNA进行酶切,电泳回收酶切片段,加上barcode接头进行cluster制备,PCR扩增170-350bp长度的片段,产物纯化后上机测序,测序仪器为Illumina Hiseq 4000,原始数据经过数据过滤后共产出27.72Gb clean data;
(3)使用BWA比对软件,将每个样品的clean data比对到熊猫基因组上(ftp:// ftp.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/all/GCA/000/004/335/GCA_000004335.1_AilMel_1.0),使用Picard工具去除重复的reads,使用GATK软件的Haplotype Caller工具检测SNP;
(4)获得在家系内稳定传递的SNP标记:选取MAF>0.4,在基因组草图上分散分布(间距大于10Mb)、侧翼区500bp范围内无Indel的SNP的标记514个;
(5)通过软件Primer 5.0设计了134对扩增引物和相应的SBE(Single BaseExtension)延伸引物,为了便于检测降解的DNA样品,扩增片段长度控制在120bp以内;
(6)用SNaPshot方法对SNP位点进行预筛选:用1只大熊猫个体的血液DNA做模板,其中有100个位点成功获得SNaPshot分型结果;
(7)使用Assay Design Suite引物设计软件(Agena公司)对上述100个SNP位点重新进行PCR引物和延伸引物的设计,然后用30个大熊猫血液和10个粪便DNA样品在核酸质谱仪上对上述100个SNP位点进行筛选,获得大熊猫多态性高、重复性好的61个SNP位点的检测引物。
用于大熊猫个体识别及亲子鉴定的SNP位点引物组,能扩增出具有较高多态性且重复性好的SNP,其核苷酸序列如下表1所示:
表1用于大熊猫个体识别及亲子鉴定的SNP引物组
该SNP引物组针对在大熊猫家系中存在多态性且稳定传递的SNP位点设计引物,为了整个体系适用于核酸质谱检测,对这组61个大熊猫SNP扩增引物的5’添加了“ACGTTGGATG”尾巴,使PCR引物分子质量超出核酸质谱检测范围,进而不影响延伸产物的检测,获得具有多态性、重复性好的大熊猫熊猫SNP位点分型,建立了相应的基因分型技术,并可实现大熊猫的个体识别和亲子鉴定。
实施例2用个体重测序方法检测SNP
(1)使用BWA比对软件,将每个样品的clean data比对到熊猫基因组上(ftp://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/all/GCA/000/004/335/GCA_000004335.1_AilMel_1.0),得到BAM格式的最初的比对结果文件。使用Picard工具去除重复的reads(这里的重复指的是PCR扩增导致的完全相同的reads)并按照比对位置进行排序。
(2)使用GATK软件的Haplotype Caller工具同时检测SNP与Indel(检测使用的比对文件*.BAM已通过碱基质量值的矫正和indel导致的错误比对位置的矫正)。
(3)输出的VCF结果文件中标记为“PASS”的SNP和Indel就是通过了过滤条件的、可信的变异集。
实施例3亲子鉴定/个体识别SNP筛选:
(1)对存在父子/母子关系的个体样品,保留等位基因频率大于0.4、侧翼500bp范围内无Indel的SNP;
(2)根据谱系图找出具有明显亲缘关系的7组家系(每组至少3个个体),筛选在各个家系中稳定存在的SNP;
(3)保留在各个家系中稳定存在、相互间距大于10Mb的SNP。
按照上述要求,从基因组中筛选到可进行亲子鉴定、个体识别的514个SNP标记。
引物设计:
用Primer 5.0设计引物。其中,扩增片段长度控制在45-120bp之间;避免发生引物错配、发夹结构;TM值控制在45℃-65℃之间。延伸引物3’末端位于SNP位点上游1bp处,有效引物长度18-30bp,退火温度控制在48℃-52℃之间。共获得134组引物(表2),所有引物均用PAGE纯化。
表2初次设计的134个SNP位点的扩增引物及延伸引物
SNPshot分型具体步骤为:
步骤一,初步筛选能够进行PCR扩增的位点:将随机选取的1只大熊猫个体的血液DNA作为模板,反应体系为:在25uL体系中,DNA 20ng,引物200pmol,Mg2+1.5mM,dNTP 200μM,Taq DNA聚合酶1.5U(MBI),加超纯水至25μL;反应条件为:95℃预变性10min;95℃变性15s,根据SNaPshot扩增引物Tm值(见表3)退火30s,72℃延伸15s,共35个循环;72℃延伸30min,4℃保存。
步骤二,PCR反应产物纯化:取PCR产物10μL,10×reaction buffer for AP 2μL,FastAP Thermosensitive碱性磷酸酶1μL,超纯水7μL,总体积20μL;反应条件为:37℃消化10min,75℃灭活5min,4℃保存。
步骤三,单碱基延伸反应:为保证反应特异性和酶的活性,所有成分均在冰上配置。反应体系:纯化后PCR产物1.5μL,SnaPshot Reaction Mix 3μL,延伸引物(2μmol/L)1μL,去离子水1μL;反应条件:96℃变性10s,根据SNaPshot延伸引物Tm值(见表3)退火5s,60℃延伸30s,共25个循环;4℃保存。
表3 SNaPshot扩增引物和延伸引物的Tm值
步骤四,单碱基延伸反应产物纯化:SnaPshot反应产物2μL,10×SAP Buffer 1μL,SAP(5U/μL)2μL,去离子水5μL;反应条件:37℃消化10h,65℃灭活15min,4℃保存。
步骤五,单碱基延伸反应产物检测:纯化后的单碱基延伸产物0.5μL,Hi-Di甲酰胺9μL,GeneScanTM Size Standards-120LIZ 0.5μL,混匀。95℃变性3min,4℃迅速冷却后上机检测。用ABI 3130基因分型仪检测,检测条件:1500V电压,36cm毛细管,POP4凝胶,电泳20min。用Data Collection 4.0软件收集数据,Genemapper 5.0软件进行结果分析。
通过上述操作步骤,有100组SNP引物(表4)获得了SnaPshot分型结果。
表4有SnaPshot分型结果的100组SNP引物
实施例4基于核酸质谱仪检测方法优化并筛选SNP分型体系
引物设计:
针对上述步骤五筛选出来的100个SNP位点,重新用Agena公司的Assay DesignSuite软件设计引物。其中,扩增片段长度控制在80-120bp之间;避免发生引物错配、发夹结构和二聚体结构;延伸引物TM值控制在45℃-100℃之间。延伸引物3’末端位于SNP位点上游或下游1bp处,有效引物长度17-28bp,所有引物均用PAGE纯化。
选用36只大熊猫个体的血液DNA,对采用上述100个位点设计的引物,进行测试验证。
(1)PCR体系:0.8μl的water(HPLC grade),0.5μL含有20mM MgCl2的10x PCRBuffer、0.4μL浓度为25mM MgCl2、0.1μL浓度为25mM dNTP Mix、1μL浓度为0.5uM PrimerMix、0.2μL浓度为5U/μl PCR Enzyme、2μL浓度为5ng/μL DNA,反应液总体积为5μL,混合后涡旋震荡离心;PCR反应程序为:95℃预变性2min、然后95℃30s、56℃30s,72℃,60s,共45个循环,72℃5min,最后4℃保存。
(2)对反应产物进行碱性磷酸酶处理:将上步的PCR反应产物进行碱性磷酸酶处理,消除反应体系中剩余的dNTP。其消化反应体系为:1.53μL的Nanopure Water、0.17μL的SAP Buffer、0.30μL的浓度为1.7U/uLSAP,反应液总体积为2μL;上述消化反应的程序为37℃40min,85℃5min,最后在4℃保存。
(3)处理后的PCR反应产物进行单碱基延伸反应:0.619μL超纯水、0.2μL iPLEXBuffe r、0.2μL iPLEX Termination mix、0.94μL Extend Primer Mix、0.041μL iPLEX酶,反应液总体积为2μL;上述反应程序为:94℃预变性30s、然后94℃5s;52℃5s、80℃5s、共进行5个内循环;94℃5s、52℃5s、80℃5s共进行35个外循环;72℃保持3min、最后4℃保存。
(4)处理后的延伸产物进行树脂纯化脱盐。使用CPM机器加入6mg树脂,并自动进行旋转震荡,去除液体中的盐离子。
(5)将树脂纯化后的延伸产物进行质谱分析,得到SNP位点所对应的分子量质谱峰图。将树脂纯化后的延伸产物移至384-well SpectroCHIP bioarray上,将点样后的SpectroCHIP芯片使用MALDI-TOF质谱仪分析,检测结果使用TYPER4.0软件处理后获取SNP位点所对应的延伸产物质谱峰图。
(6)从分型图上判定引物适用性。经过筛选后的引物稳定性高,具有多态性,通过筛选后的SNP引物,获得多态性含量较高的大熊猫SNP标记61个(如表5所示),建立了这些标记相应的基因分型技术。
将这61个SNP标记的延伸产物分到5个孔位进行检测,其组合及实验结果见下表5。
表5 61个SNP标记的延伸产物组合及实验结果
通过对所得数据进行软件分析,进行SNP位点筛选。这种筛选方法的优点是,从基因组序列中寻找SNP位点,范围广、信息量大,能得到大量的SNP位点,同时节约大量的时间与成本。更重要的是,该方法以实际的家系样本为依据,既可有效避免基因组草图测序错误带来的“假阳性”结果,还可以通过回溯分析,探查到在家系中稳定传递的SNP。所获得的SNP座位对于自身物种具有良好的适用性,能很好的分析进行个体识别和亲子鉴定。
实施例5
采集36只大熊猫的血液样品,提取DNA,然后按照上述分型方法,开展实验,获取群体的基因分型数据。
用Cervus 3.0软件(Marshall,1998)计算个体识别的非排除概率。具体计算依据:
(1)个体识别:Cervus 3.0软件采用Paetkau&Strobeck 1994的公式
PID=∑pi 4+∑∑(2pipj)2
式中pi和pj分别表示每个基因座上第i和j个等位基因的频率,而且i≠j(Paetkau&Strobeck 1994)。
(2)双胞胎的个体识别:Cervus 3.0软件采用Woods et al.(1999)公式
PIDsib=0.25+(0.5Σpi 2)+[0.5(Σpi 2)2]-(0.25Σpi 4)
36个大熊猫血液样品获得的群体分型数据如下表6所示:
表6 36个大熊猫血液样品获得的群体分型数据
除r1406821、r206951、r496126、r54799、r568476、r879785这6个位点在36个样品中出现纯合外,其余55个位点都呈杂合状态。61个位点的平均期望杂合度0.3868,平均多态信息含量PIC为0.3034。用这61个位点做个体识别,其联合非排除概率PID=3.32E-21,双胞胎的联合非排除概率PIDsib=3.22E-11,说明这61个位点对大熊猫的个体识别非常高。
实施例7
父亲鉴定的排除概率计算分两种情况:
情况一:所有可疑个体的基因型都已经列出,而且母—子关系是确定的。在此情况下,每一个微卫星基因座的排除概率Ex按照Jamieson(1965,1997)的算法计算:
Ex=∑Pi(1-Pi)2-∑(PiPj)2[4-3(Pi+Pj)]
情况二:所有可疑个体的基因型都已列出,但母—子关系不清楚。在此情况下,每一个基因座父亲鉴定的排除概率Ex按照Garber和Morris(1983)的算法计算:
Ex=∑Pi 2(1-Pi)2+∑2(PiPj)(1-Pi-Pj)2
多个基因座的联合排除概率E计算按照Jamieson&Taylor(1997)的算法:
E=1-(1-Ex1)(1-Ex2)(1-Ex3)...(1-Exi)
本发明中61个SNP基因座联合的单亲非排除概率为0.00665549,双亲非排除概率为0.00004127、父母对的非排除概率为0.00000006。
本发明的大熊猫SNP引物对成都大熊猫繁育研究基地的大熊猫进行了亲子鉴定,鉴定结果非常准确,可以纠正现有谱系中存在的错误。
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例,但如前所述,应当理解发明并非局限于本文所披露的形式,不应看作是对其他实施例的排除,而可用于各种其他组合、修改和环境,并能够在本文所述发明构想范围内,通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围,则都应在发明所附权利要求的保护范围内。
序列表
<110> 成都大熊猫繁育研究基地
<120> 用于大熊猫个体识别及亲子鉴定的SNP引物组及应用
<130> 2020
<160> 122
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 30
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial sequence)
<400> 1
acgttggatg tcaagggcag caatatccac 30
<210> 2
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<212> DNA
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<210> 3
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acgttggatg agatgtggca cagccacgag 30
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<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial sequence)
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acgttggatg gttcttgaag gcgaaactgg 30
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<211> 30
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial sequence)
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acgttggatg ttgcagcttt gaagctggag 30
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<211> 30
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial sequence)
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acgttggatg gtttcctcct ggaggttcta 30
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<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial sequence)
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acgttggatg tcctcccttc tctttccttg 30
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<212> DNA
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<213> 人工序列(Artificial sequence)
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acgttggatg tccccttctt gtggactgag 30
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<213> 人工序列(Artificial sequence)
<400> 109
acgttggatg tggtcctctc agtgcatgtg 30
<210> 110
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<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial sequence)
<400> 110
acgttggatg tagacagtga gctcccagag 30
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<211> 30
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial sequence)
<400> 111
acgttggatg tcttgttggt catctgctgg 30
<210> 112
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<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial sequence)
<400> 112
acgttggatg ttgagcaagc aagcaaccac 30
<210> 113
<211> 30
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial sequence)
<400> 113
acgttggatg aagaacagcc tgagagccac 30
<210> 114
<211> 29
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial sequence)
<400> 114
acgttggatg agctccactc tcctggctc 29
<210> 115
<211> 29
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial sequence)
<400> 115
acgttggatg aaccaacttg ccattaccg 29
<210> 116
<211> 30
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<213> 人工序列(Artificial sequence)
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acgttggatg tggtagcaca aaacctctcc 30
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<213> 人工序列(Artificial sequence)
<400> 117
acgttggatg gcctcatcca aaagctcaac 30
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<213> 人工序列(Artificial sequence)
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acgttggatg caaccacctg caaagacctg 30
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<213> 人工序列(Artificial sequence)
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acgttggatg ttccagcagc ttatactggg 30
<210> 120
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<213> 人工序列(Artificial sequence)
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acgttggatg gcctctcaga gcaaaaacag 30
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acgttggatg ccctgttcgt aaaggtcaag 30
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<400> 122
acgttggatg cacctgatct gtaccggttt 30
Claims (4)
1.用于大熊猫个体识别及亲子鉴定的SNP引物组,其特征在于,包括r636904引物对,r1311895引物对,r2889403引物对,r925405引物对,r401737引物对,r17661引物对,r288799引物对,r34615引物对,r1406821引物对, r145504引物对,r879785引物对,r841819引物对,r2493899引物对,r763927引物对,r1714363引物对,r816202引物对,r609807引物对,r496126引物对,r242464引物对,r1461164引物对,r958037引物对,r126528引物对,r522200引物对,r471529引物对,r1026824引物对,r815065引物对,r495366引物对,r127759引物对,r640323引物对,r127172引物对,r2345828引物对,r278350引物对,r206951引物对,r475062引物对,r667663引物对,r117235引物对,r146785引物对,r568897引物对,r786755引物对,r464156引物对,r703016引物对,r244142引物对,r327235引物对,r56847引物对,r25273引物对,r3962引物对,r801548引物对,r150892引物对,r881866引物对,r496796引物对,r5737376引物对,r42329#2引物对,r80086引物对,r492886引物对,r523100引物对,r168774引物对,r1412204引物对,r54799引物对,r2038579引物对,r2827781引物对,r118957引物对,其核苷酸序列如SEQ ID NO.1-122所示。
2.权利要求1所述的SNP引物组在大熊猫的个体识别和亲子鉴定中的应用。
3.根据权利要求2所述的应用,其特征在于,所述应用为在大熊猫个体识别、亲子鉴定和遗传多样性中的应用。
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