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不同陽(yáng)春砂栽培類型的性狀及活性成分分析
杏仁是姜科植物的陽(yáng)春砂、海南砂和綠殼砂的干燥成熟果實(shí)(國(guó)家藥物委員會(huì),2015年)。砂仁性溫、味辛,具有芳香化濕、行氣寬中、降氣祛痰、溫脾止瀉和理氣安胎等功效(柯斌和師林,2012),在我國(guó)有長(zhǎng)期的藥用和臨床使用歷史。陽(yáng)春砂果實(shí)春砂仁是傳統(tǒng)大宗藥材,具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。據(jù)估算,春砂仁產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)需求應(yīng)該在100億元以上,但因畝產(chǎn)量很低使春砂仁供不應(yīng)求(湯麗云等,2012),而其低產(chǎn)的主要原因是陽(yáng)春砂自然授粉率低,落果率高。目前陽(yáng)春砂的栽培類型有長(zhǎng)果、圓果和仲華(何國(guó)振等,2014),尋找或培育新種質(zhì)是解決陽(yáng)春砂單位產(chǎn)量低的根本方法。陽(yáng)春砂花期氣溫較低,活動(dòng)昆蟲的種類少,如果陽(yáng)春砂花期的氣溫高,活動(dòng)昆蟲種類會(huì)增多,因而選育遲花品種,有可能提高授粉率。2010年10月12日,作者在廣東省陽(yáng)春市砂仁試驗(yàn)示范場(chǎng)發(fā)現(xiàn)了約3m分子標(biāo)記技術(shù)為品種鑒定提供了形態(tài)鑒定外的證據(jù),結(jié)合分子鑒定和形態(tài)鑒定的結(jié)果,可以使品種鑒定更加準(zhǔn)確。隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA(RandomAmplifiedPolymorphicDNA,RAPD)是1990年由Williams和Welsh(Williamsetal,1990;Welsh&Mcclelland,1990)發(fā)展起來的,是建立在PCR基礎(chǔ)上的一種新型的DNA分子標(biāo)記技術(shù)。其基本原理是以隨機(jī)合成的寡聚核苷酸單鏈作為引物對(duì)所研究的基因組DNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增,然后檢測(cè)擴(kuò)增DNA片段的多態(tài)性,這些多態(tài)性反映了基因組相應(yīng)區(qū)域的DNA多態(tài)性(唐克軒,2005)。RAPD分子標(biāo)記技術(shù)因其具有分析速度快、操作簡(jiǎn)單方便、樣品需要量少,特異性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),是目前運(yùn)用最廣泛的一類分子標(biāo)記技術(shù)(徐榮和陳君,2006;戴小芬和朱建明,2003)。本研究通過形態(tài)鑒定、分子鑒定和化學(xué)成分測(cè)定,比較疑似新種質(zhì)與已有的陽(yáng)春砂各栽培類型和海南砂的差異,以判定是否屬于新的栽培類型。1材料和方法1.1“錦秋”和陽(yáng)春砂實(shí)驗(yàn)材料為陽(yáng)春砂三個(gè)栽培類型:長(zhǎng)果、圓果和仲華,海南砂,疑似新種質(zhì)(命名為“錦秋”)。陽(yáng)春砂和錦秋栽培在廣州中醫(yī)藥大學(xué)大學(xué)城陽(yáng)春砂試驗(yàn)場(chǎng),海南砂栽培在距離試驗(yàn)場(chǎng)10m左右的小山坡上。試驗(yàn)場(chǎng)用遮陰網(wǎng)遮陰,海南砂依靠樹木遮陰。各種質(zhì)的田間管理措施相同。1.2葉舌、葉舌長(zhǎng)度運(yùn)用傳統(tǒng)生物學(xué)觀察方法觀察砂仁各種質(zhì)的生物學(xué)性狀,調(diào)查的主要性狀及方法如下。用軟尺測(cè)量從直立莖最下端膨大處至最上端葉片葉鞘與莖連接處的長(zhǎng)度。每種種質(zhì)測(cè)量20株植株。隨機(jī)選取各樣品植株,觀察每株植株所有葉片的形態(tài),每個(gè)樣品觀察30株植株;取各樣品植株的第三片葉,觀察葉舌形態(tài),并用軟尺測(cè)量葉舌長(zhǎng)度,測(cè)量時(shí)從葉舌與葉片連接的側(cè)面的最低點(diǎn)開始,到葉舌最高點(diǎn)為止,每樣品測(cè)量30個(gè)葉舌。選取生長(zhǎng)狀態(tài)一致的五種砂仁種質(zhì)的植株,觀察其根狀莖(包括莖尖)的形態(tài)、顏色,每個(gè)樣品觀察30條根狀莖。1.2.2數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析根據(jù)本實(shí)驗(yàn)室已建立的相關(guān)體系并參考相關(guān)文獻(xiàn)(王培訓(xùn)等,2000;徐吉銀和丁平,2005),確定PCR反應(yīng)體系為總反應(yīng)體系共25μL,其中含有ddHPCR擴(kuò)增程序:94℃預(yù)變性3min,94℃變性1min,35℃(引物為S38),39℃(引物為S655和S207)退火45s,72℃延伸2min,循環(huán)40次,72℃再次延伸10min,4℃保存。取擴(kuò)增產(chǎn)物10μL加上2μL上樣緩沖液和1μLGoldViewTM核染色液在1%的瓊脂糖凝膠以電壓5V·cm對(duì)擴(kuò)增產(chǎn)物選取條帶清晰、重復(fù)性好的進(jìn)行記錄。根據(jù)電泳圖譜中標(biāo)準(zhǔn)分子質(zhì)量,統(tǒng)計(jì)反應(yīng)產(chǎn)物在凝膠上的位置,按凝膠圖譜上同一擴(kuò)增位點(diǎn)條帶的有無(wú)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),有帶的記為“1”,無(wú)帶的記為“0”。用Ntsys-2.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得出相應(yīng)的聚類圖和遺傳距離表,并進(jìn)行分析。揮發(fā)油含量測(cè)定按照中國(guó)藥典2015版揮發(fā)油測(cè)定法甲法進(jìn)行;乙酸龍腦脂含量按照2015版中國(guó)藥典氣相色譜條件進(jìn)行。利用SPSS20.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和One-WayANOVA方差分析。數(shù)據(jù)表示為x2結(jié)果與分析2.1宏觀形態(tài)的變化陽(yáng)春砂的莖分為根狀莖和直立莖。根狀莖匍匐于地面,直立莖散生,不分枝,基部膨大成球狀,是由葉鞘構(gòu)成的假莖(高江云等,2006)。基部膨大成球狀的部分我們稱之為蘆頭。陽(yáng)春砂植株的高度是指直立莖的高度,我們定義為蘆頭至最上端葉片葉鞘與莖連接處的長(zhǎng)度。五種砂仁種質(zhì)植株的高度如表1,錦秋植株最高,平均為258.58cm,海南砂最矮,平均為179.22cm。錦秋植株的高度明顯高于其他四種種質(zhì)植株,長(zhǎng)果與圓果的沒有顯著差異。砂仁植株的高度與所處環(huán)境的蔭蔽度關(guān)系密切,蔭蔽度大的植株相對(duì)較高,而蔭蔽度低的植株相對(duì)較矮。本文研究的五種砂仁種質(zhì)植株,其中四種,即長(zhǎng)果、圓果、仲華和錦秋生長(zhǎng)于蔭棚,它們的蔭蔽度相對(duì)一致,而海南砂生長(zhǎng)于樹林間,蔭蔽度與蔭棚的有所不同。因此,從表1的數(shù)據(jù)不能肯定海南砂比其它四種種質(zhì)的植株矮,但可以比較的是,錦秋比長(zhǎng)果、圓果和仲華的植株高。將五種砂仁種質(zhì)的第三葉的葉舌進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)有明顯的差異。長(zhǎng)果、圓果、仲華和錦秋的葉舌都呈類梯形,而海南砂葉舌為長(zhǎng)條形,且質(zhì)地較薄(圖2)。長(zhǎng)果、圓果、仲華和錦秋的葉舌前端有凹陷,因而呈波狀,但這種現(xiàn)象是隨機(jī)的。長(zhǎng)果和圓果的葉舌最短,海南砂的葉舌最長(zhǎng),仲華和錦秋的葉舌長(zhǎng)度介于中間(表1)。長(zhǎng)果和圓果葉舌的長(zhǎng)度沒有顯著差異,仲華和錦秋之間的也沒有顯著差異。如圖3所示,五種砂仁種質(zhì)的根狀莖莖尖的形狀是相似的,均為錐狀,但顏色有差別。錦秋的根狀莖尖的顏色與長(zhǎng)果、圓果、仲華的一致,均為鮮紅色,而海南砂根狀莖尖為淺綠色或土黃色,有些甚至是白色。根狀莖尖顏色的不同與根狀莖的生長(zhǎng)習(xí)性有一定的關(guān)系,長(zhǎng)果、圓果、仲華、錦秋的根狀莖是在地面生長(zhǎng)的,可以接受光照;而海南砂根狀莖莖尖有朝地下生長(zhǎng)的趨勢(shì),往往被落葉等覆蓋,不容易接受光照。五種砂仁種質(zhì)的成熟根狀莖的顏色從外表看有差別。長(zhǎng)果與圓果根狀莖為綠色,包被的褐色鱗片極易脫落;海南砂、仲華根狀莖雖然也是綠色,但因?yàn)楹稚[片包裹且不易脫落,因而從表面來看顯示出褐色;錦秋根狀莖的顏色與仲華和海南砂的類似。五種砂仁種質(zhì)的小花形態(tài)沒有明顯的差別,碗狀的唇瓣扣住假合蕊柱的頂端,假合蕊柱到唇瓣的縱向距離與橫向距離在各砂仁種質(zhì)間目測(cè)差別不明顯(圖5)。表2觀察記錄了兩年的開花物候期,發(fā)現(xiàn)五種砂仁種質(zhì)的開花期有明顯的差別,長(zhǎng)果和圓果開花最早,仲華和錦秋次之,海南砂開花最遲。2015年長(zhǎng)果和圓果的開花時(shí)間是4月30日,仲華和錦秋遲了8~10d,而海南砂遲了24d。錦秋和仲華的花期有38~40d,而長(zhǎng)果和圓果的花期只有26d,海南砂的也只有30d。錦秋和仲華的盛花期最長(zhǎng),達(dá)到29d,而長(zhǎng)果和圓果的不到15d,海南砂的處于中間,為20d左右。由于廣州市2016年1月出現(xiàn)了寒冷的極端天氣,其中24日氣溫低至0℃,罕見地下了鵝毛雪,使得2016年砂仁的開花時(shí)間明顯推遲,花期縮短,但五種砂仁種質(zhì)的花期物候的整個(gè)趨勢(shì)還是與2015年的相似。測(cè)量了生長(zhǎng)90d處于采摘期的果實(shí)大小(表3),結(jié)果顯示海南砂的果實(shí)最大,長(zhǎng)果和圓果的果實(shí)次之,仲華和錦秋的果實(shí)最小。錦秋果實(shí)的形狀與圓果、海南砂類似,呈胖圓形,其橫莖與縱徑比大于1;仲華的果實(shí)形狀顯長(zhǎng)圓形,其橫徑與縱徑比小于1。五種砂仁種質(zhì)的果實(shí)顏色可以分為兩類,長(zhǎng)果和圓果果實(shí)顏色為紅色或紅褐色,而仲華、錦秋和海南砂的果實(shí)顏色為黑褐色(圖6)。所以,錦秋的果實(shí)形狀與圓果、海南砂相近,而顏色則與仲華和海南砂相近。五種砂仁種質(zhì)的果實(shí)上的果刺形狀有差別,錦秋的果刺與仲華、長(zhǎng)果和圓果的果刺相似,與海南砂的比較顯得尖銳,而海南砂的果刺顯得平鈍。表4顯示,各砂仁種質(zhì)的百果重和種子千粒重有顯著差異。百果鮮重和干重都是海南砂最重,圓果次之,隨后為長(zhǎng)果,最后為錦秋,這與各砂仁種質(zhì)的果實(shí)大小是相匹配的;然而,各種質(zhì)果實(shí)的干鮮重比卻是錦秋最大,海南砂最小,說明錦秋的干物質(zhì)積累最多。種子千粒重大小以錦秋的最大,長(zhǎng)果次之,隨后為圓果,最后為海南砂,這與果實(shí)的干鮮重比的順序基本吻合。經(jīng)過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn),從91個(gè)RAPD隨機(jī)引物中篩選出3個(gè)條帶清晰、反應(yīng)穩(wěn)定性好、多態(tài)性豐富的引物(表5)。用篩選出的3條RAPD引物對(duì)五種砂仁種質(zhì)的DNA進(jìn)行RAPD-PCR擴(kuò)增,電泳檢測(cè)擴(kuò)增位點(diǎn)共34條,其中多態(tài)性位點(diǎn)31條,平均多態(tài)百分率為91.2%,RAPD擴(kuò)增處理的DNA片段多態(tài)性豐富。RAPD反應(yīng)擴(kuò)增片段主要集中在0.25~3.0kb之間(圖7)。根據(jù)分子量標(biāo)準(zhǔn)的遷移率確定RAPD帶的分子量。RAPD擴(kuò)增譜帶用“1”表示有,用“0”表示無(wú),得到一個(gè)二元矩陣。將0—1矩陣在Ntsys-2.0軟件中進(jìn)行處理,得到各品種間遺傳相似系數(shù)和遺傳距離(表6),并獲得聚類圖(圖8)。由表7可以看出,各砂仁種質(zhì)間的遺傳相似度在0.2353~0.9706之間。相似系數(shù)越大,遺傳距離越小,親緣關(guān)系越近。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,遺傳相似系數(shù)最大的是長(zhǎng)果和圓果,其次是仲華和錦秋,說明長(zhǎng)果與圓果、仲華與錦秋親緣關(guān)系十分相近,但是各個(gè)樣品間的相似系數(shù)均小于1.0,說明有一定遺傳距離,且能用特定的引物可將五種砂仁種質(zhì)區(qū)分,因此這五種砂仁種質(zhì)是各不相同的。圖8聚類分析結(jié)果表明,五種砂仁種質(zhì)可聚為3類:其中海南砂與其它相似系數(shù)較小,歸為一大類,長(zhǎng)果、圓果、仲華、錦秋歸為另一大類;在長(zhǎng)果這一大類中,仲華和錦秋相似系數(shù)較大為一小類,而長(zhǎng)果和圓果歸為另一小類。因此,錦秋可以歸類為陽(yáng)春砂而不是海南砂,與其遺傳關(guān)系最近的是仲華。錦秋揮發(fā)油含量與長(zhǎng)果、圓果或海南砂有顯著性差異,其揮發(fā)油含量最高(表7)。但除了海南砂達(dá)到了2015版《中國(guó)藥典》規(guī)定的種子團(tuán)揮發(fā)油含量不得少于1.0%的要求外,陽(yáng)春砂長(zhǎng)果和圓果均未達(dá)到揮發(fā)油含量不得少于3.0%的要求,如果錦秋屬于陽(yáng)春砂,則同樣未達(dá)到藥典要求。陽(yáng)春砂種子團(tuán)揮發(fā)油含量低的原因,一是可能實(shí)驗(yàn)條件不合適:由于測(cè)揮發(fā)油含量前要粉碎種子團(tuán),可能粉碎儀器選擇不好,導(dǎo)致粉碎過程中損失過多的揮發(fā)油;二是可能產(chǎn)地和栽培環(huán)境原因?qū)е缕洳环纤幍湟?畢竟廣州不是陽(yáng)春砂的道地產(chǎn)區(qū)。但由于各砂仁種質(zhì)的種子團(tuán)都是在相同條件下粉碎、提取和測(cè)定的,因此其揮發(fā)油含量的比較是有意義的。錦秋的乙酸龍腦酯含量與其它四種砂仁種質(zhì)的相似,相互間無(wú)顯著性差異(表7)。所有砂仁種質(zhì)的乙酸龍腦酯含量均未達(dá)到2015版《中國(guó)藥典》規(guī)定的不得少于0.90%的要求。這也可能是實(shí)驗(yàn)條件或者產(chǎn)地不同等原因造成的。同樣,由于在相同的條件下粉碎、提取和檢測(cè),因此其乙酸龍腦酯含量的比較仍然是有意義的。3錦秋的形態(tài)特征砂仁是我國(guó)四大南藥之一,其主流品種為春砂仁,最近被廣東省列入立法保護(hù)的品種。對(duì)砂仁特別是陽(yáng)春砂仁原植物種質(zhì)資源進(jìn)行研究,對(duì)于中藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。本研究以三種陽(yáng)春砂栽培類型、海南砂及疑似陽(yáng)春砂栽培類型(錦秋)為研究材料,從表觀形態(tài)、遺傳距離分析等方面開展砂仁種質(zhì)資源的鑒定與親緣關(guān)系探討,以確認(rèn)錦秋是否為陽(yáng)春砂新栽培類型,為擴(kuò)大砂仁種質(zhì)資源利用打下基礎(chǔ)。篩選出的三個(gè)引物擴(kuò)增后,多態(tài)性比率為91.2%,顯示該物種遺傳變異較高。遺傳距離顯示各個(gè)樣品間的相似系數(shù)均小于1.0,顯示有一定的遺傳距離,且五種砂仁種質(zhì)能用特定的引物將它們區(qū)分開來,說明五種砂仁種質(zhì)是有差別的。聚類分析顯示樣品可分為3類,海南砂聚為一大類;長(zhǎng)果和圓果遺傳距離最小,可聚為一類;其次是仲華和錦秋,也可聚為一類;相對(duì)于海南砂,長(zhǎng)果、圓果、仲華與錦秋可總歸為一大類。聚類分析結(jié)果表明,錦秋是陽(yáng)春砂,是不同于已知三種栽培類型的新栽培類型。五種砂仁種質(zhì)形態(tài)學(xué)指標(biāo)的比較也支持分子鑒定的結(jié)果。錦秋株高明顯大于其它三個(gè)陽(yáng)春砂栽培類型。其葉舌的長(zhǎng)度介于海南砂和長(zhǎng)果、圓果陽(yáng)春砂之間。錦秋葉緣具有雙邊波狀和單邊波狀兩種現(xiàn)象,而長(zhǎng)果、圓果陽(yáng)春砂都是雙邊波狀葉片,海南砂則是單邊波狀葉片。因而在葉片形態(tài)上,錦秋也表現(xiàn)出處于長(zhǎng)果、圓果與海南砂之間。在開花物候方面,錦秋的開花時(shí)間也處于長(zhǎng)果、圓果與海南砂之間。果實(shí)的性狀方面比較復(fù)雜,錦秋果實(shí)的形狀為胖圓形,這點(diǎn)與圓果、海南砂相似;顏色為黑褐色與海南砂相近,卻與長(zhǎng)果、圓果相區(qū)別,果實(shí)上的果刺形狀則與長(zhǎng)果、圓果相似。錦秋與仲華的遺傳相似系數(shù)達(dá)到0.8824,除果實(shí)形狀外的生物學(xué)性狀指標(biāo)都相似。其次與長(zhǎng)果的親緣關(guān)系較近,推測(cè)錦秋是長(zhǎng)果和仲華的雜交后代,或者是長(zhǎng)果與海南砂的雜交后代。據(jù)調(diào)查,陽(yáng)春市砂仁試驗(yàn)示范場(chǎng)于1979年引種海南砂,引種時(shí)與長(zhǎng)果栽培于同一場(chǎng)址,但分地塊單獨(dú)栽培。1986年后,由于示范場(chǎng)要改種其它經(jīng)濟(jì)樹,將長(zhǎng)果、圓果和海南砂混種于場(chǎng)址的一隅,這地點(diǎn)就是我們于2010年發(fā)現(xiàn)錦秋的區(qū)域。錦秋的發(fā)現(xiàn)是因?yàn)樗幕ㄆ诤苓t,雖然我們也偶爾在秋天發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)果或圓果開花,但都是極個(gè)別的現(xiàn)象,如錦秋般遲花面積達(dá)到幾平方米的從未發(fā)現(xiàn)。然而,當(dāng)把錦秋移栽到廣州市大學(xué)城后,沒有在秋天發(fā)現(xiàn)開花。由于高速公路的建設(shè),原來在陽(yáng)春市砂仁試驗(yàn)示范場(chǎng)發(fā)現(xiàn)錦秋的地點(diǎn)已被破壞,因而也無(wú)法重現(xiàn)發(fā)現(xiàn)地錦秋的花期。長(zhǎng)果和圓果在陽(yáng)春市的開花期一般早于廣州大學(xué)城10d左右。因此,錦秋花期的大幅度提前的現(xiàn)象,是一個(gè)待研究的課題。錦秋有質(zhì)量上的優(yōu)勢(shì),雖然其果實(shí)小,但種子千粒重最大;由于砂仁的活性成分揮發(fā)油存在于種子中,因此錦秋的揮發(fā)油含量最高,但其乙酸龍腦酯含量與其它砂仁種質(zhì)無(wú)差異,提示它們間的化學(xué)成分組成不同。培育高產(chǎn)品種是解決陽(yáng)春砂低產(chǎn)問題的根本途徑,陽(yáng)春砂是典型的蟲媒植物,只有少數(shù)種類的昆蟲能為之授粉,培育可接受更多種類的昆蟲授粉的品種是一條提高產(chǎn)量的切實(shí)可行途徑(湯麗云等,2012)。能否接受更多種類的昆蟲授粉,與砂仁小花的形態(tài),特別是與其假合蕊柱的挺直程度有關(guān)(何國(guó)振等,2014)。從形態(tài)觀察來看,錦秋的假合蕊柱的挺直程度與其它陽(yáng)春砂栽培類型或海南砂比較沒有肉眼可見的差異。海南砂的自然結(jié)實(shí)率為2%~33%(楊銳培等,2014),而陽(yáng)春砂的自然結(jié)實(shí)率為1.1%(彭建明等,2012),兩者存在一定的差異,我們推測(cè)導(dǎo)致這種差異的原因不是假合蕊柱的挺直程度的不同,而是花蜜量和成分的不同(陳紅,2015)。從海南砂的自然結(jié)實(shí)率略高于長(zhǎng)果等陽(yáng)春砂的結(jié)果,推測(cè)錦秋的自然結(jié)實(shí)率會(huì)高于長(zhǎng)果和圓果,具體情況如何有待將來的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。1.2.1對(duì)五種砂仁物質(zhì)的形態(tài)特征的研究1.2.1.1株高測(cè)量1.2.1.2葉的形態(tài)觀察和測(cè)量1.2.1.3.根系形態(tài)觀察1.2.1.4花芽和花束的觀察在開花前,選取生長(zhǎng)一致的花芽,或于花期選取生長(zhǎng)一致的開放的小花,觀察花芽或小花形態(tài),每個(gè)樣品觀察30個(gè)花芽或小花。1.2.1.5天開花時(shí)間的物候觀察于開花期間記錄五種砂仁種質(zhì)的始花期、盛花期和末花期。始花期是指某種砂仁種質(zhì)的花序當(dāng)天開放數(shù)為2花序/10m1.2.1.水果的6種形態(tài)于授粉后90d,選取生長(zhǎng)狀態(tài)一致的果實(shí),觀察其形態(tài)、顏色,并測(cè)量其橫、縱莖大小,計(jì)算橫縱比,每個(gè)樣品觀察測(cè)量20個(gè)果實(shí)。1.2.1.百果鮮、干重、種子企業(yè)測(cè)定于授粉后90d,采摘生長(zhǎng)狀態(tài)一致的五種砂仁種質(zhì)的果實(shí),測(cè)量其百果鮮重;在收獲果實(shí)后,將果實(shí)在50℃下烘干至恒重,測(cè)定果實(shí)的干重、種子千粒重。實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。1.2.2.1.提取胎盤中的dna砂仁葉片基因組DNA的提取參照黃瓊林和楊錦芬(2010)的CTAB法。1.2.2.2-pcr反應(yīng)體系的構(gòu)建以五種砂仁種質(zhì)的DNA為模板,對(duì)S系列中的91個(gè)10聚體的
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