一种获自大豆的根特异性兼伤害诱导型启动子.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201210071088.7

申请日:

20120313

公开号:

CN102618543B

公开日:

20150121

当前法律状态:

有效性:

失效

法律详情:

IPC分类号:

C12N15/113,C12N15/63,C12N15/84,C12N1/21,A01H5/00

主分类号:

C12N15/113,C12N15/63,C12N15/84,C12N1/21,A01H5/00

申请人:

青岛农业大学

发明人:

薛仁镐,赵春梅,吴秀芸,蔡春梅

地址:

266109 山东省青岛市城阳区长城路700号

优先权:

CN201210071088A

专利代理机构:

代理人:

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内容摘要

本发明提供一种自大豆中分离的根特异性兼伤害诱导型启动子GmChi1p,其核苷酸序列如SEQ?IDNO.1所示。它是用独特设计的引物,以大豆“Jungery”基因组DNA为模板,克隆了大豆chitinase?1基因启动子GmChi1p并构建植物表达载体,命名为pCAM1391Z-GmChi1p,采用农杆菌介导的烟草遗传转化及表达GUS基因的方式进行功能验证:该启动子可以驱动GUS基因在转基因烟草的根系中特异表达,并在转基因烟草中被伤害高效诱导表达。该启动子可以代替35S启动子应用于转基因植物的研究,尤其是转基因作物的抗病虫害、抗逆、高产或品质改良的研究。

权利要求书

1.一种获自大豆的根特异性兼伤害诱导型启动子GmChilp,如序列表中SEQ ID NO.1所示的DNA序列;该启动子能够使目的基因在植物根部特异高效表达。 2.权利要求1所述启动子在植物抗病虫害或抗逆性改良中的应用。 3.一种转化子,该转化子是将SEQ ID NO.1所示DNA片段插入pCAMBIA1391Z的Hind III和EcoR I酶切位点间得到的重组质粒导入农杆菌制得。

说明书

技术领域

该发明涉及植物基因启动子及其应用,提供了一种获自大豆的根特异性兼伤害诱导型启动子。属于生 物技术领域,尤其涉及农作物抗病虫害、抗逆、高产或品质改良等基因工程领域。

背景技术

大豆(Glycine max L.Merrill)是重要的油料作物和经济作物,在我国农业生产乃至整个国民经济中均 具有重要地位。大豆生产中,长期以来一直存在多种病虫害,其中以大豆灰斑病、疫霉根腐病、霜霉病、 大豆根结线虫病等最为严重,真菌病及虫害是导致大豆品质和产量下降的重要原因。通过基因工程技术将 相关抗性基因导入大豆,是当今提高大豆抗病性及生产力的有效策略。

目前,大量优良新基因被分离克隆,但植物基因工程中较为广泛使用的启动子有来自花椰菜花叶病毒 的CaMV 35S启动子,来自植物本身的Act1、Ubi1等启动子(Sanders et al.,1987;McElroy et al.,1990)。 这些均是组成型启动子。由于组成型启动子驱动的基因在植物不同组织器官中均有不同程度的表达,应用 中逐渐暴露出一些问题。在多数情况下,人们并不希望外源基因在转基因植物整个植株、整个生育期中广 泛表达,因为一方面会增加植株的代谢负担,另一方面,有些外源蛋白对植物并非必须甚至有毒,不利于 植物正常生长(Kasuga et al.,1999)。因此,研究和利用组织器官特异型启动子和诱导型启动子显得尤为重 要,不仅可以实现对外源基因表达施行时、空、量的三维调控,同时具有经济、环保及生物安全等多方面 的潜在价值(Venter,2007)。组织特异性或诱导表达启动子一直以来都是植物基因工程研究的重点和难点。

组织特异性启动子可以使外源基因的表达只发生在某些特定的器官或组织部位,并往往表现出发育调 节的特性。目前,大多数组织特异启动子的研究主要集中在植物的地上部分,根特异启动子的研究和应用 还很少(Potenza et al.,2004)。然而,植物的根部是唯一生长于地下部的器官,它不仅具有吸收、运输、贮 存养分的重要作用,也是与土壤中病原物最先接触的部分,还是在某些逆境条件下植物自身防卫系统的一 部分,因此根部特异启动子在植物抗病以及抗逆性改良和植物品质改良中有良好的应用价值。随着研究的 深入,相继报道了一些植物根特异的启动子(Xu et al.,1995;Schünmann et al.,2004;del Campillo,2004; Koyama et al.,2005;Nitz et al.,2001;Vijaybhaskar et al.,2008;Liu et al.,2003;Winicov et al.,2004)。然而,能 够在基因工程遗传改良和农业生产中应用的仍然很少。

诱导型启动子可以使外源基因对某些信号产生响应,只在特殊信号刺激下表达。植物伤害或病原菌诱 导型启动子的研究很多,是植物生物技术领域的一个研究热点。植物受病原菌侵染会诱导产生多种防卫反 应,尤其是产生病程相关蛋白(PR蛋白:Pathogenesis-Related Proteins),几丁质酶是主要的植物PR蛋白 之一,通过对真菌细胞壁的重要成分——几丁质的水解,抑制真菌的生长增殖,从而提高植物的抗真菌能 力,在植物抵御真菌病害的防卫反应中发挥着重要作用(Boller et al.,1983)。几丁质酶广泛存在于各种植 物中,参与植物的发育调控,如开花、结实等;还参与植物的抗病以及抗虫等过程(Kasprzewska,2003)。 研究表明几丁质酶在植物正常生长情况下表达量极低或不表达,但在受到病原菌、伤害及信号分子诱导时 表达量迅速增加(Xu et al.,2007;Whipps et al.,2008),快速而强烈的诱导反应特性暗示其启动子在植物基 因工程中具有重要的实用价值。

目前已从拟南芥等几种植物中获得了几丁质酶基因的启动子序列,并对其诱导调控特性进行了鉴定: 如拟南芥酸性几丁质酶基因启动子是一种真菌病原物诱导启动子,可受立枯丝核菌(Rhizoctonia solani)诱 导;在转基因番茄中,受番茄早疫病菌(Alternaria solani)诱导表达(Samac and Shah,1991)。山葡萄Class III几丁质酶基因VCH3启动子受外源施加SA诱导在维管组织中特异性的高效表达,并且表达量的大小与 VCH3启动子中含有的SA顺式作用元件的数量成正比(Li et al.,2005)。吴雪峰等发现芥菜Class I几丁质 酶基因启动子BjCHI1能驱动GUS基因在转基因烟草和拟南芥中响应伤害、MeJA、NaCl和PEG等生物和 非生物因素的强烈诱导,并首次证明其中的T/G-box(AACGTG)序列赋予BjCHI1启动子的MeJA诱导 特性(Wu et al.,2009)。辣椒class II几丁质酶基因CAChi2启动子驱动的GUS基因受病菌侵染、渗透胁迫 和SA的诱导强烈表达(Hong and Hwang,2011)。但上述启动子序列间同源程度低,启动子内存在的对外 界环境条件应答反应的调控元件有所区别,各启动子存在着诱导启动活性差异。到目前为止,对几丁质酶 基因启动子的调控机理所进行的遗传转化研究仅局限在少数模式植物上,对农作物的实用性研究却很少, 更未见其在大豆中进行遗传转化的报道。

植物基因工程技术的成功应用不仅需要大量调控不同水平的启动子,而且需要适合于不同植物背景、 不同的器官、组织、转基因类型的启动子以避免在转基因过程中的不利影响。在大豆的高产、品质改良及 抗病虫害基因工程遗传载体构建中能够选用的植物内源的组织特异或诱导型启动子仍然很少,因此,从大 豆中发掘更多的根特异和/或伤害诱导型启动子对基础研究和生产应用具有重要的意义。

大豆生产过程中深受各种真菌病虫害的危害,大豆几丁质酶同样也受到病原菌、伤害及激发子等的诱 导表达(Liubas,2001;Gijzen et al.,2001),因此,发明者深感调控大豆几丁质酶基因的启动子极具研究价 值。通过发明者的努力,成功的分离到大豆几丁质酶基因启动子(GmChi1p),并且通过实验证明本发明 的启动子具有根组织特异性,且可受伤害强烈诱导表达,能作为植物源的根特异性兼伤害诱导型表达载体, 在农作物品质改良及抗病虫害基因工程中有很好的应用前景。

文中所用的参考文献具体如下:

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3.Gijzen M,Kuflu K,Qutob D,et al.A class I chitinase from soybean seed coat.J Exp Bot.,2001,52: 2283-2289

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18.Vijaybhaskar V,Subbiah V,Kaur J,et al.Identification of a root-specific glycosyltransferase from  Arabidopsis and characterization of its promoter.J.Biosci.,2008,33:1852-193

19.Whipps JM,Hand P,Pink D,et al.Phyllosphere microbiology with special reference to diversity and plant  genotype.J Appl Microbiol.,2008,105:1744-1755.

20.Winicov I,Valliyodan B,Xue L,et al.The MsPRP2 promoter enables strong heterologous gene expression in  a root-specific manner and is enhanced by overexpression of Alfin 1.Planta,2004,219:925-935

21.Wu XF,Wang CL,Xie EB,et al.Molecular cloning and characterization of the promoter for the multiple  stress-inducible gene BjCHI1 from Brassicajuncea.Planta,2009,229:1231-1242

22.Xu FH,Fan CM,He YQ,et al.Chitinases in Oryza sativa ssp.japonica and Arabidopsis thaliana[J].J.Genet. Genomics,2007,34(2):138-150

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发明内容

本发明的目的旨在克服已有技术的不足,一是提供一种获自大豆的根特异性兼伤害诱导型启动子,二 是提供一种该启动子的重组载体,三是提供用该重组载体制备的转化子,四是提供该根特异性兼伤害诱导 型启动子、重组载体及转化子的应用。

本发明的目的之一可通过如下技术措施来实现:

本发明提供一种新的根特异性兼伤害诱导型启动子,由具有SEQ ID NO.1所示核苷酸序列的DNA。此 处的诱导是指伤害诱导(如虫害)。

本发明的目的之二可通过如下技术措施来实现:

该重组载体其中含有上述目的之一的获自大豆的根特异性兼伤害诱导型启动子,包含用于作物品质改 良的结构基因和/或调控基因、或者抗真菌病虫害的结构基因和/或调控基因从而使其在根特异性兼伤害诱 导型启动子下发挥作用。

本发明的目的之三可通过如下技术措施来实现:

该转化子是将权力要求2中所述载体导入宿主制得。

本发明的目的之三还可通过如下技术措施来实现:

所述的宿主为植物体。

本发明的目的之四可通过如下技术措施来实现:

该获自大豆的根特异性兼伤害诱导型启动子、重组载体和转化子应用于植物品质改良、抗病虫害基因 工程的产业制备。它可以驱动外源基因在转基因植物根系特异表达或在转基因植物中受伤害诱导表达,可 以替代35S启动子应用于农业生物技术育种,以提高作物抗病、抗虫性状、抗非生物逆境及作物高产、品 质改良。

本发明以烟草为例作进一步说明:

本发明获得了一种在双子叶植物如烟草中有效发挥作用的根特异性兼伤害诱导型启动子,实现了该启 动子驱动外源基因在烟草根系的组织特异表达,并且在烟草叶片、花、花柄中均具有高效的伤害诱导表达 特性。

通过将本发明的根特异性兼伤害诱导型启动子与GUS报告基因融合并跟踪GUS酶在有无诱导处理下 烟草植株内的表达情况,就可以确定该启动子在烟草植株中的根特异兼伤害诱导表达模式。

本发明的根特异性兼伤害诱导型启动子是由以下方法获得的:

根据GenBank中已报道的大豆Class I几丁质酶基因(chitinase,GmChi1)(GenBank:AF202731.1)序列, 在大豆数据库中(http://soybase.org/SequenceIntro.php)搜索并确定GmChi1基因5’上游启动子区,设计特 异引物,提取大豆基因组进行PCR扩增,得到的片段进行序列测定,结果表明与大豆数据库中的序列相似 度达99.8%,从而克隆出GmChi1基因起始密码子上游1641bp的上游调控序列,包含部分5’UTR区。

将克隆的1.64Kb调控区构建入植物表达载体pCAMBIA1391Z中,得到由GmChi1基因启动子驱动 GUS基因表达的pCAM1391Z-GmChi1p重组表达载体。然后将pCAM1391Z-GmChi1p重组质粒用冻融法 转化农杆菌EHA105,利用叶圆盘法对烟草进行遗传转化。对转基因植株进行GUS组织化学染色,证明该 启动子是根组织特异启动子;对伤害处理的转基因植株进行GUS组织化学染色,证明该启动子为伤害诱 导型启动子。

该发明的优点在于获得了一种新型的根特异性兼伤害诱导型启动子,该启动子可以驱动外源基因在转 基因植物根系中高效特异表达,而且也被伤害高效诱导表达,适合构建植物表达载体用于作物抗病虫或抗 逆性改良和作物高产、品质改良。

附图说明

图1:GmChi1p启动子克隆和载体构建酶切验证;泳道M:Wide Range DNA Marker(500-12,000);泳 道1:pMD18-T-GmChi1p质粒酶切验证;泳道2:大豆基因组GmChi1p PCR扩增结果;泳道3:pCAM1391Z- GmChi1p质粒酶切验证。

图2:植物表达载体pCAM1391Z和pCAM1391Z-GmChi1p构建示意图。

图3、pCAM1391Z-GmChi1p转基因烟草T0代植株的PCR鉴定;泳道M:DNA Marker 2000;泳道CK +:质粒pCAM1391Z-GmChi1p为模板的PCR阳性对照;泳道CK-:ddH2O为模板的空白对照;泳道0:未转 基因烟草基因组DNA为模板的负对照;泳道1~33:pCAM1391Z-GmChi1p转基因烟草T0代植株的基因组 DNA为模板的PCR产物;559bp为Hyg基因的PCR结果;706bp为Gus基因的PCR结果。

图4、GmChi1p启动子的生物信息学分析

图5、pCAM1391Z-GmChi1p转基因烟草植株中的GUS组织化学染色结果;其中A为无处理的T0代 转基因烟草植株(生根小苗)的染色结果,B为取整花先染色后再切开观察的染色结果。

图6、pCAM1391Z-GmChi1p转基因烟草植株中GmChi1p启动子的伤害诱导表达结果;其中A为未转 基因烟草叶片用牙签扎孔损伤1小时后染色结果,B为叶片用刀片切开或用牙签扎孔损伤1小时后染色结 果,C为整花用刀片纵向切开后马上染色结果。

具体实施方式

以下的实施例便于更好的理解本发明,但并不限定本发明。下述实施例中的实验方法,如无特殊说明, 均为常规方法,所用引物序列由上海生工生物技术有限公司合成。

实施例1:大豆几丁质酶基因启动子-GmChi1p的克隆和序列分析

根据GenBank中已报道的大豆Class I几丁质酶基因(Chitinase,GmChi1)(GenBank:AF202731.1)序列, 在大豆数据库中(http://soybase.org/SequenceIntro.php)搜索并确定GmChi1基因5’上游启动子区,设计特 异引物。上游引物:5’CCCTAACTAGGAATTTAGCCACTCA3’

下游引物:5’GAAAGAAACGGTGTATGATGTGAAT3’

以大豆“Jungery”基因组DNA为模板,利用上述引物进行PCR扩增,制备GmChi1基因启动子片段。 PCR反应体系:

PCR反应程序:94℃预变性5分钟;94℃变性30秒,58℃退火50秒,72℃延伸2分钟,共35个循 环;最后72℃延伸10分钟;4℃保温。

得到的扩增产物,在1%的琼脂糖凝胶上电泳检测,结果显示:在约1600bp处有特异条带(附图1), 大小与预计理论值相符。用DNA琼脂糖凝胶回收试剂盒回收纯化该PCR产物;将纯化产物与pMD18-T载 体连接,获得重组质粒命名为pMD18-T-GmChi1p,转化大肠杆菌DH5α感受态细胞,进行Amp、蓝白斑 筛选,选取重组质粒经PCR及Hind III/EcoR I双酶切(选取pMD18-T载体的酶切位点)鉴定均为阳性(附 图1)的克隆菌液送大连宝生物(TaKaRa)公司测序;所得序列在NCBI网站上用Blast工具进行同源比 对,结果表明与大豆数据库中的已知序列相似度达99.8%,确证所得序列为GmChi1基因的上游调控序列 (GmChi1p),长度为1641bp,包含部分5’UTR区,其序列参见SEQ ID NO:1。利用PLACE(Higo K,Ugawa  Y,Iwamoto M,Korenaga T.Plant cis-acting regulatory DNA-elements(PLACE).Nucl Acids Res 1999, 27:297-300)和PlantCARE(Lescot M,Déhais P,Thijs G,Marchal K,Moreau Y,Van de Peer Y,RouzéP, Rombauts S.PlantCARE,a database of plant cis-acting regulatory elements and a portal to tools for in silico  analysis of promoter sequences.Nucl Acids Res 2002,30:325-327)软件对GmChi1p的核苷酸序列(序列表中 的SEQ ID NO:1)进行序列分析(附图4),发现该序列除具备启动子的基本转录元件,还含有多个根特异 响应元件,多个与水杨酸,茉莉酸等激素响应的元件,以及一些对胁迫响应的转录元件等(见表1),推测 该启动子可能为根特异并受激素或胁迫的诱导响应。其中,序列自3’端第32位碱基为转录起始位点,记 为+1(附图4)。

表1启动子转录元件结合位点统计分析

实施例2利用pCAMBIA1391Z载体构建GmChi1p::GUS融合基因重组表达载体

从大肠杆菌中提取载体质粒pCAMBIA1391Z(该菌株从生物公司或CAMBIA购买),用Hind  III/EcoR I双酶切后回收大的载体片段(其中包含有GUS报告基因序列)。从实施例1所制备的TA克隆 中提取质粒pMD18-T-GmChi1p,用Hind III/EcoR I双酶切后,通过琼脂糖凝胶电泳回收GmChi1p启动子 片段。将上述2个片段在连接酶催化下于16℃连接过夜,完成pCAMBIA1391Z载体上的GmChi1p::GUS 融合基因构建,重组质粒命名为pCAM1391Z-GmChi1p(载体构建图谱见附图2)。

连接体系:

连接产物转化大肠杆菌DH5α感受态细胞,方法同实施例1。挑选转化平板(Kan抗性)上的白色菌 落,按常规方法提取质粒,对重组质粒进行PCR及Hind III/EcoR I双酶切鉴定(附图1)。用冻融法将 鉴定的阳性克隆质粒转化农杆菌EHA105,获得工程化农杆菌,用于植物转化。

实施例3农杆菌介导的烟草遗传转化和转基因植株的GUS表达检测

用含有pCAM1391Z-GmChi1p质粒的根癌农杆菌菌液叶圆盘法转化烟草叶片(大小0.5×0.5),共培养 2天,随后移至分化培养基(含50mg/L潮霉素)进行抗性筛选,抗性愈伤每两周继代一次,直至出现抗 性小苗,移至生根培养基(含50mg/L潮霉素)中生根,炼苗移栽,直至收获T1代种子。获得的抗性植株 用PCR法进行阳性检测,引物分别为gus基因和hyg基因内部引物,产物大小分别为559bp和706bp(附 图3)。

对转基因烟草进行GUS组织化学染色。方法,利用X-Gluc反应液分别处理以下植物材料:(1)T0代 转基因烟草植株整株(生根小苗),(2)整花切开马上染色,(3)整花先染色后切开,(4)叶片用牙签扎 孔损伤1小时后染色,(5)未转基因烟草叶片牙签扎孔损伤1小时后染色。各样品材料加入X-Gluc反应 液37℃反应24小时,将反应液吸出,用75%乙醇脱色2-3次,至阴性材料呈白色。肉眼观察或显微照相。

结果如附图5所示,GUS活性强的显示出很深的蓝色,无蓝色则表示无GUS活性或GUS活性很低。 未受处理的转基因烟草整株小苗的根中有很强的

GUS表达,染出很蓝的颜色,而根部以上组织则无GUS表达(图5A);除花柱头和花瓣有微弱表达 外,在花的其他部位均无表达(图5B)。同时,该启动子还被伤害诱导表达,在所有的伤害处,包括叶 片切口处(图6B)、叶片刺伤处(图6B右)、花切口处(6C)及花柄切口处(6C)均被高效诱导表达, 而作为阴性对照的未转基因烟草叶片的切口及刺伤处均无GUS表达(图6A)。我们共获得转基因植株46 株,取其中12株进行了以上GUS表达分析,结果表明不同转基因株系均表现出一致的结果,说明由SEQ ID NO:1所示序列具有很强的根特异性兼伤害诱导性的启动子活性。

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1、(10)授权公告号 CN 102618543 B (45)授权公告日 2015.01.21 CN 102618543 B (21)申请号 201210071088.7 (22)申请日 2012.03.13 C12N 15/113(2010.01) C12N 15/63(2006.01) C12N 15/84(2006.01) C12N 1/21(2006.01) A01H 5/00(2006.01) (73)专利权人 青岛农业大学 地址 266109 山东省青岛市城阳区长城路 700 号 (72)发明人 薛仁镐 赵春梅 吴秀芸 蔡春梅 Gijzen, M et al.A class I chi。

2、tinase from soybean seed coat.Journal of Experimental Botany .2001, 第 52 卷 ( 第 365 期 ),2283-2289. Gijzen, M et al.Accession No : AF335589.1.Gene Bank .2001, 全文 . (54) 发明名称 一种获自大豆的根特异性兼伤害诱导型启动 子 (57) 摘要 本发明提供一种自大豆中分离的根特异性 兼伤害诱导型启动子 GmChi1p, 其核苷酸序列如 SEQ IDNO.1 所示。它是用独特设计的引物, 以 大豆 “Jungery”基因组 DNA 为模板,。

3、 克隆了大豆 chitinase 1 基因启动子 GmChi1p 并构建植物表 达载体, 命名为 pCAM1391Z-GmChi1p, 采用农杆菌 介导的烟草遗传转化及表达 GUS 基因的方式进行 功能验证 : 该启动子可以驱动 GUS 基因在转基因 烟草的根系中特异表达, 并在转基因烟草中被伤 害高效诱导表达。该启动子可以代替 35S 启动子 应用于转基因植物的研究, 尤其是转基因作物的 抗病虫害、 抗逆、 高产或品质改良的研究。 (51)Int.Cl. (56)对比文件 审查员 谢德 权利要求书 1 页 说明书 8 页 序列表 1 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (。

4、12)发明专利 权利要求书1页 说明书8页 序列表1页 附图3页 (10)授权公告号 CN 102618543 B CN 102618543 B 1/1 页 2 1. 一种获自大豆的根特异性兼伤害诱导型启动子 GmChilp, 如序列表中 SEQ ID NO.1 所示的 DNA 序列 ; 该启动子能够使目的基因在植物根部特异高效表达。 2. 权利要求 1 所述启动子在植物抗病虫害或抗逆性改良中的应用。 3. 一种转化子, 该转化子是将 SEQ ID NO.1 所示 DNA 片段插入 pCAMBIA1391Z 的 Hind III 和 EcoR I 酶切位点间得到的重组质粒导入农杆菌制得。 权 。

5、利 要 求 书 CN 102618543 B 2 1/8 页 3 一种获自大豆的根特异性兼伤害诱导型启动子 技术领域 0001 该发明涉及植物基因启动子及其应用, 提供了一种获自大豆的根特异性兼伤害诱 导型启动子。属于生物技术领域, 尤其涉及农作物抗病虫害、 抗逆、 高产或品质改良等基因 工程领域。 背景技术 0002 大豆 (Glycine max L.Merrill) 是重要的油料作物和经济作物, 在我国农业生产 乃至整个国民经济中均具有重要地位。 大豆生产中, 长期以来一直存在多种病虫害, 其中以 大豆灰斑病、 疫霉根腐病、 霜霉病、 大豆根结线虫病等最为严重, 真菌病及虫害是导致大豆 。

6、品质和产量下降的重要原因。通过基因工程技术将相关抗性基因导入大豆, 是当今提高大 豆抗病性及生产力的有效策略。 0003 目前, 大量优良新基因被分离克隆, 但植物基因工程中较为广泛使用的启动子有 来自花椰菜花叶病毒的 CaMV 35S 启动子, 来自植物本身的 Act1、 Ubi1 等启动子 (Sanders et al., 1987 ; McElroy et al., 1990)。这些均是组成型启动子。由于组成型启动子驱动的 基因在植物不同组织器官中均有不同程度的表达, 应用中逐渐暴露出一些问题。在多数情 况下, 人们并不希望外源基因在转基因植物整个植株、 整个生育期中广泛表达, 因为一方。

7、面 会增加植株的代谢负担, 另一方面, 有些外源蛋白对植物并非必须甚至有毒, 不利于植物正 常生长 (Kasuga et al., 1999)。因此, 研究和利用组织器官特异型启动子和诱导型启动子 显得尤为重要, 不仅可以实现对外源基因表达施行时、 空、 量的三维调控, 同时具有经济、 环 保及生物安全等多方面的潜在价值 (Venter, 2007)。组织特异性或诱导表达启动子一直以 来都是植物基因工程研究的重点和难点。 0004 组织特异性启动子可以使外源基因的表达只发生在某些特定的器官或组织部位, 并往往表现出发育调节的特性。目前, 大多数组织特异启动子的研究主要集中在植物的地 上部分, 。

8、根特异启动子的研究和应用还很少 (Potenza et al., 2004)。然而, 植物的根部是 唯一生长于地下部的器官, 它不仅具有吸收、 运输、 贮存养分的重要作用, 也是与土壤中病 原物最先接触的部分, 还是在某些逆境条件下植物自身防卫系统的一部分, 因此根部特异 启动子在植物抗病以及抗逆性改良和植物品质改良中有良好的应用价值。随着研究的深 入, 相继报道了一些植物根特异的启动子 (Xu et al., 1995 ; Schnmann et al., 2004 ; del Campillo, 2004 ; Koyama et al., 2005 ; Nitz et al., 2001 。

9、; Vijaybhaskar et al., 2008 ; Liu et al., 2003 ; Winicov et al., 2004)。然而, 能够在基因工程遗传改良和农业生产中 应用的仍然很少。 0005 诱导型启动子可以使外源基因对某些信号产生响应, 只在特殊信号刺激下表 达。植物伤害或病原菌诱导型启动子的研究很多, 是植物生物技术领域的一个研究热 点。植物受病原菌侵染会诱导产生多种防卫反应, 尤其是产生病程相关蛋白 (PR 蛋白 : Pathogenesis-Related Proteins), 几丁质酶是主要的植物 PR 蛋白之一, 通过对真菌细胞 壁的重要成分几丁质的水解, 抑。

10、制真菌的生长增殖, 从而提高植物的抗真菌能力, 在植 说 明 书 CN 102618543 B 3 2/8 页 4 物抵御真菌病害的防卫反应中发挥着重要作用(Boller et al., 1983)。 几丁质酶广泛存在 于各种植物中, 参与植物的发育调控, 如开花、 结实等 ; 还参与植物的抗病以及抗虫等过程 (Kasprzewska, 2003)。研究表明几丁质酶在植物正常生长情况下表达量极低或不表达, 但 在受到病原菌、 伤害及信号分子诱导时表达量迅速增加(Xu et al., 2007 ; Whipps et al., 2008), 快速而强烈的诱导反应特性暗示其启动子在植物基因工程中具。

11、有重要的实用价值。 0006 目前已从拟南芥等几种植物中获得了几丁质酶基因的启动子序列, 并对其诱 导调控特性进行了鉴定 : 如拟南芥酸性几丁质酶基因启动子是一种真菌病原物诱导启 动子, 可受立枯丝核菌 (Rhizoctonia solani) 诱导 ; 在转基因番茄中, 受番茄早疫病菌 (Alternaria solani) 诱导表达 (Samac and Shah, 1991)。山葡萄 ClassIII 几丁质酶基 因 VCH3 启动子受外源施加 SA 诱导在维管组织中特异性的高效表达, 并且表达量的大小 与 VCH3 启动子中含有的 SA 顺式作用元件的数量成正比 (Li et al.,。

12、 2005)。吴雪峰等 发现芥菜 Class I 几丁质酶基因启动子 BjCHI1 能驱动 GUS 基因在转基因烟草和拟南芥 中响应伤害、 MeJA、 NaCl 和 PEG 等生物和非生物因素的强烈诱导, 并首次证明其中的 T/ G-box(AACGTG) 序列赋予 BjCHI1 启动子的 MeJA 诱导特性 (Wu et al., 2009)。辣椒 class II 几丁质酶基因 CAChi2 启动子驱动的 GUS 基因受病菌侵染、 渗透胁迫和 SA 的诱导强烈表 达(Hong and Hwang, 2011)。 但上述启动子序列间同源程度低, 启动子内存在的对外界环境 条件应答反应的调控元。

13、件有所区别, 各启动子存在着诱导启动活性差异。 到目前为止, 对几 丁质酶基因启动子的调控机理所进行的遗传转化研究仅局限在少数模式植物上, 对农作物 的实用性研究却很少, 更未见其在大豆中进行遗传转化的报道。 0007 植物基因工程技术的成功应用不仅需要大量调控不同水平的启动子, 而且需要适 合于不同植物背景、 不同的器官、 组织、 转基因类型的启动子以避免在转基因过程中的不利 影响。在大豆的高产、 品质改良及抗病虫害基因工程遗传载体构建中能够选用的植物内源 的组织特异或诱导型启动子仍然很少, 因此, 从大豆中发掘更多的根特异和 / 或伤害诱导 型启动子对基础研究和生产应用具有重要的意义。 0。

14、008 大豆生产过程中深受各种真菌病虫害的危害, 大豆几丁质酶同样也受到病原菌、 伤害及激发子等的诱导表达 (Liubas, 2001 ; Gijzen et al., 2001), 因此, 发明者深感调控 大豆几丁质酶基因的启动子极具研究价值。通过发明者的努力, 成功的分离到大豆几丁质 酶基因启动子 (GmChi1p), 并且通过实验证明本发明的启动子具有根组织特异性, 且可受伤 害强烈诱导表达, 能作为植物源的根特异性兼伤害诱导型表达载体, 在农作物品质改良及 抗病虫害基因工程中有很好的应用前景。 0009 文中所用的参考文献具体如下 : 0010 1.Boller T, Gehri A,。

15、 Mauch F, et al.Chintinase in bean leaves : induction by ethylene, purifi cation, properties, and possible functionJ.Planta, 1983, 157 : 22-31. 0011 2.del Campillo E, Abdel-Aziz A, Crawford D, et al.Root cap specific expression of an endo-1, 4-D-glucanase(cellulase) : a new marker to study root deve。

16、lopment in Arabidopsis, Plant Molecular Biology, 2004, 56 : 309-323 0012 3.Gijzen M, Kuflu K, Qutob D, et al.A class I chitinase from soybean seed coat.J Exp Bot., 2001, 52 : 2283-2289 说 明 书 CN 102618543 B 4 3/8 页 5 0013 4.Hong JK and Hwang BK.Promoter activation of pepper class II basic chitinase g。

17、ene, CAChi2, and enhanced bacterial disease resistance and osmotic stress tolerance in the CAChi2-overexpressing Arabidopsis.Planta, 2011, 10.1007/ s00425-005-0099-6(on line) 0014 5.Kasprzewska A.Plant chitinases-regulation and function.Cell Mol Biol Lett., 2003, 8 : 809-824 0015 6.Kasuga M, Liu Q, 。

18、Miura S, Yamaguchi-Schinozaki K, and Shinozaki K.Improving plant drought, salt, and freezing tolerance by gene transfer of a single stress-induciable transcription factor.Nat Biotechnol, 1999, 17 : 287-291 0016 7.Koyama T, Ono T, Shimizu M, et al.Promoter of Arabidopsis thaliana phosphate transporte。

19、r gene drive root-specifi c expression of transgene in rice. J Biosci Bioeng, 2005, 99 : 38-42 0017 8.Li HY, Qi J, Shu HR, et al.Isolation and Characterization of a Chitinase Gene VCH3 Promoter from Grapevine(Vitis amurensis)Journal of Plant Physiology and Molecular Biology 2005, 31(5) : 485-491 001。

20、8 9.Liu JJ, Ekramoddoullah AK.Root-specifi c expression of a western white pine PR10 gene is mediated by different promoter regions in transgenic tobacco. Plant Mol Biol, 2003, 52 : 103-120 0019 10.Liubas KS.The influence of fusarium oxysporum infection and low temperatures on the activity of soybea。

21、n esterase and PR proteinsJ.Icel Agr Sci, 2001, 14 : 67-73. 0020 11.McElroy D, Zhao W, Cao J, et al.Isolation of an effi cient actin promoter for use in rice transformation.Plant Cell, 1990, 2 : 163-171 0021 12.Nitz I, Berkefeld H, Puzio PS, et al.Pyk10, a seedling and root specifi c gene and promot。

22、er form Arabidopsis thaliana.Plant Sci., 2001, 161 : 337-346 0022 13.Potenza C,Aleman L,Sengupta-Gopalan C.Targeting transgene expression in research, agricultural, and environmental applications : promoters used in plant transformation.In Vitro Cell Dev Biol., 2004, 40 : 1-22 0023 14.Samac DA and S。

23、hah DM.Developmental and pathogen-induced activation of the Arabidopsis acidic chitinase promoterJ.Plant Cell, 1991, 3 : 1063-1072 0024 15.Sanders PR, Winter JA, Barnason AR, et al.Comparison of cauliflower mosaic virus 35S and nopaline synthase promoters in transgenic plants.Nucleic Acids Res, 1987。

24、, 15 : 1543-1558 ; 0025 16.Schnmann PHD, Richardson AE, Smith FW, et al.Characterization of promoter expression patterns derived from the Phtl phosphae transporter genes of barley(Hordeum vulgare L.).J Exp Bot., 2004, 55 : 855-865 0026 17.Venter M.Synthetic promoters : genetic control through cis en。

25、gineering.Trends Plant Sci, 2007, 12 : 118-124 0027 18.Vijaybhaskar V,Subbiah V,Kaur J,et al.Identification of a 说 明 书 CN 102618543 B 5 4/8 页 6 root-specifi c glycosyltransferase from Arabidopsis and characterization of its promoter.J.Biosci., 2008, 33 : 1852-193 0028 19.Whipps JM, Hand P, Pink D, e。

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27、f Alfi n 1.Planta, 2004, 219 : 925-935 0030 21.Wu XF, Wang CL, Xie EB, et al.Molecular cloning and characterization of the promoter for the multiple stress-inducible gene BjCHI1 from Brassicajuncea. Planta, 2009, 229 : 1231-1242 0031 22.Xu FH, Fan CM, He YQ, et al.Chitinases in Oryza sativa ssp.japo。

28、nica and Arabidopsis thalianaJ.J.Genet.Genomics, 2007, 34(2) : 138-150 0032 23.Xu Y, Buchholz WG, DeRose RT, et al.Characterization of a rice gene family encoding root-specifi c proteins.Plant Mol Biol., 1995, 27 : 237-248 发明内容 0033 本发明的目的旨在克服已有技术的不足, 一是提供一种获自大豆的根特异性兼伤 害诱导型启动子, 二是提供一种该启动子的重组载体, 三是提供。

29、用该重组载体制备的转化 子, 四是提供该根特异性兼伤害诱导型启动子、 重组载体及转化子的应用。 0034 本发明的目的之一可通过如下技术措施来实现 : 0035 本发明提供一种新的根特异性兼伤害诱导型启动子, 由具有 SEQ ID NO.1 所示核 苷酸序列的 DNA。此处的诱导是指伤害诱导 ( 如虫害 )。 0036 本发明的目的之二可通过如下技术措施来实现 : 0037 该重组载体其中含有上述目的之一的获自大豆的根特异性兼伤害诱导型启动子, 包含用于作物品质改良的结构基因和 / 或调控基因、 或者抗真菌病虫害的结构基因和 / 或 调控基因从而使其在根特异性兼伤害诱导型启动子下发挥作用。 0。

30、038 本发明的目的之三可通过如下技术措施来实现 : 0039 该转化子是将权力要求 2 中所述载体导入宿主制得。 0040 本发明的目的之三还可通过如下技术措施来实现 : 0041 所述的宿主为植物体。 0042 本发明的目的之四可通过如下技术措施来实现 : 0043 该获自大豆的根特异性兼伤害诱导型启动子、 重组载体和转化子应用于植物品质 改良、 抗病虫害基因工程的产业制备。它可以驱动外源基因在转基因植物根系特异表达或 在转基因植物中受伤害诱导表达, 可以替代 35S 启动子应用于农业生物技术育种, 以提高 作物抗病、 抗虫性状、 抗非生物逆境及作物高产、 品质改良。 0044 本发明以烟。

31、草为例作进一步说明 : 0045 本发明获得了一种在双子叶植物如烟草中有效发挥作用的根特异性兼伤害诱导 型启动子, 实现了该启动子驱动外源基因在烟草根系的组织特异表达, 并且在烟草叶片、 说 明 书 CN 102618543 B 6 5/8 页 7 花、 花柄中均具有高效的伤害诱导表达特性。 0046 通过将本发明的根特异性兼伤害诱导型启动子与GUS报告基因融合并跟踪GUS酶 在有无诱导处理下烟草植株内的表达情况, 就可以确定该启动子在烟草植株中的根特异兼 伤害诱导表达模式。 0047 本发明的根特异性兼伤害诱导型启动子是由以下方法获得的 : 0048 根据 GenBank 中已报道的大豆 C。

32、lass I 几丁质酶基因 (chitinase, GmChi1) (GenBank : AF202731.1) 序列, 在大豆数据库中 (http:/soybase.org/SequenceIntro. php) 搜索并确定 GmChi1 基因 5 上游启动子区, 设计特异引物, 提取大豆基因组进行 PCR 扩 增, 得到的片段进行序列测定, 结果表明与大豆数据库中的序列相似度达 99.8, 从而克隆 出 GmChi1 基因起始密码子上游 1641bp 的上游调控序列, 包含部分 5 UTR 区。 0049 将 克 隆 的 1.64Kb 调 控 区 构 建 入 植 物 表 达 载 体 pCA。

33、MBIA1391Z 中, 得 到 由 GmChi1 基因启动子驱动 GUS 基因表达的 pCAM1391Z-GmChi1p 重组表达载体。然后将 pCAM1391Z-GmChi1p 重组质粒用冻融法转化农杆菌 EHA105, 利用叶圆盘法对烟草进行遗传 转化。 对转基因植株进行GUS组织化学染色, 证明该启动子是根组织特异启动子 ; 对伤害处 理的转基因植株进行 GUS 组织化学染色, 证明该启动子为伤害诱导型启动子。 0050 该发明的优点在于获得了一种新型的根特异性兼伤害诱导型启动子, 该启动子可 以驱动外源基因在转基因植物根系中高效特异表达, 而且也被伤害高效诱导表达, 适合构 建植物表。

34、达载体用于作物抗病虫或抗逆性改良和作物高产、 品质改良。 附图说明 0051 图 1 : GmChi1p 启 动 子 克 隆 和 载 体 构 建 酶 切 验 证 ; 泳 道 M : Wide Range DNA Marker(500-12,000) ; 泳 道 1 : pMD18-T-GmChi1p 质 粒 酶 切 验 证 ; 泳 道 2 : 大 豆 基 因 组 GmChi1p PCR 扩增结果 ; 泳道 3 : pCAM1391Z-GmChi1p 质粒酶切验证。 0052 图 2 : 植物表达载体 pCAM1391Z 和 pCAM1391Z-GmChi1p 构建示意图。 0053 图 3、 。

35、pCAM1391Z-GmChi1p 转基因烟草 T0代植株的 PCR 鉴定 ; 泳道 M : DNA Marker 2000 ; 泳道 CK+: 质粒 pCAM1391Z-GmChi1p 为模板的 PCR 阳性对照 ; 泳道 CK-: ddH2O 为 模板的空白对照 ; 泳道 0 : 未转基因烟草基因组 DNA 为模板的负对照 ; 泳道 1 33 : pCAM1391Z-GmChi1p转基因烟草T0代植株的基因组DNA为模板的PCR产物 ; 559bp为Hyg基 因的 PCR 结果 ; 706bp 为 Gus 基因的 PCR 结果。 0054 图 4、 GmChi1p 启动子的生物信息学分析 。

36、0055 图 5、 pCAM1391Z-GmChi1p 转基因烟草植株中的 GUS 组织化学染色结果 ; 其中 A 为 无处理的 T0代转基因烟草植株 ( 生根小苗 ) 的染色结果, B 为取整花先染色后再切开观察 的染色结果。 0056 图 6、 pCAM1391Z-GmChi1p 转基因烟草植株中 GmChi1p 启动子的伤害诱导表达结 果 ; 其中 A 为未转基因烟草叶片用牙签扎孔损伤 1 小时后染色结果, B 为叶片用刀片切开或 用牙签扎孔损伤 1 小时后染色结果, C 为整花用刀片纵向切开后马上染色结果。 具体实施方式 0057 以下的实施例便于更好的理解本发明, 但并不限定本发明。。

37、下述实施例中的实验 说 明 书 CN 102618543 B 7 6/8 页 8 方法, 如无特殊说明, 均为常规方法, 所用引物序列由上海生工生物技术有限公司合成。 0058 实施例 1 : 大豆几丁质酶基因启动子 -GmChi1p 的克隆和序列分析 0059 根据 GenBank 中已报道的大豆 Class I 几丁质酶基因 (Chitinase, GmChi1) (GenBank : AF202731.1) 序列, 在大豆数据库中 (http:/soybase.org/SequenceIntro. php) 搜 索 并 确 定 GmChi1 基 因 5上 游 启 动 子 区, 设 计 特。

38、 异 引 物。 上 游 引 物 : 5 CCCTAACTAGGAATTTAGCCACTCA3 0060 下游引物 : 5 GAAAGAAACGGTGTATGATGTGAAT3 0061 以大豆 “Jungery” 基因组 DNA 为模板, 利用上述引物进行 PCR 扩增, 制备 GmChi1 基因启动子片段。PCR 反应体系 : 0062 0063 PCR 反应程序 : 94预变性 5 分钟 ; 94变性 30 秒, 58退火 50 秒, 72延伸 2 分 钟, 共 35 个循环 ; 最后 72延伸 10 分钟 ; 4保温。 0064 得到的扩增产物, 在 1的琼脂糖凝胶上电泳检测, 结果显示。

39、 : 在约 1600bp 处有 特异条带 ( 附图 1), 大小与预计理论值相符。用 DNA 琼脂糖凝胶回收试剂盒回收纯化该 PCR 产物 ; 将纯化产物与 pMD18-T 载体连接, 获得重组质粒命名为 pMD18-T-GmChi1p, 转 化大肠杆菌 DH5 感受态细胞, 进行 Amp、 蓝白斑筛选, 选取重组质粒经 PCR 及 Hind III/ EcoR I 双酶切 ( 选取 pMD18-T 载体的酶切位点 ) 鉴定均为阳性 ( 附图 1) 的克隆菌液送 大连宝生物 (TaKaRa) 公司测序 ; 所得序列在 NCBI 网站上用 Blast 工具进行同源比对, 结 果表明与大豆数据库中。

40、的已知序列相似度达 99.8, 确证所得序列为 GmChi1 基因的上 游调控序列 (GmChi1p), 长度为 1641bp, 包含部分 5 UTR 区, 其序列参见 SEQ ID NO : 1。 利 用 PLACE(Higo K, Ugawa Y, Iwamoto M, Korenaga T.Plant cis-acting regulatory DNA-elements(PLACE).Nucl Acids Res 1999, 27 : 297-300) 和 PlantCARE(Lescot M, Dhais P, Thijs G, Marchal K, Moreau Y, Van de 。

41、Peer Y, RouzP, Rombauts S.PlantCARE, a database of plant cis-acting regulatory elements and a portal to tools for in silico analysis of promoter sequences.Nucl Acids Res 2002, 30 : 325-327) 软件 对 GmChi1p 的核苷酸序列 ( 序列表中的 SEQ ID NO : 1) 进行序列分析 ( 附图 4), 发现该序 列除具备启动子的基本转录元件, 还含有多个根特异响应元件, 多个与水杨酸, 茉莉酸等激 素响。

42、应的元件, 以及一些对胁迫响应的转录元件等 ( 见表 1), 推测该启动子可能为根特异 并受激素或胁迫的诱导响应。其中, 序列自 3 端第 32 位碱基为转录起始位点, 记为 +1( 附 图 4)。 0065 表 1 启动子转录元件结合位点统计分析 说 明 书 CN 102618543 B 8 7/8 页 9 0066 0067 实施例 2 利用 pCAMBIA1391Z 载体构建 GmChi1p:GUS 融合基因重组表达载体 0068 从大肠杆菌中提取载体质粒 pCAMBIA1391Z( 该菌株从生物公司或 CAMBIA 购买 ), 用 Hind III/EcoR I 双酶切后回收大的载体片。

43、段 ( 其中包含有 GUS 报告基因序列 )。从 实施例 1 所制备的 TA 克隆中提取质粒 pMD18-T-GmChi1p, 用 Hind III/EcoR I 双酶切后, 通过琼脂糖凝胶电泳回收 GmChi1p 启动子片段。将上述 2 个片段在连接酶催化下于 16 连接过夜, 完成 pCAMBIA1391Z 载体上的 GmChi1p:GUS 融合基因构建, 重组质粒命名为 pCAM1391Z-GmChi1p( 载体构建图谱见附图 2)。 0069 连接体系 : 0070 0071 连接产物转化大肠杆菌 DH5 感受态细胞, 方法同实施例 1。挑选转化平板 (Kan 抗性 ) 上的白色菌落,。

44、 按常规方法提取质粒, 对重组质粒进行 PCR 及 Hind III/EcoR I 双酶 切鉴定(附图1)。 用冻融法将鉴定的阳性克隆质粒转化农杆菌EHA105, 获得工程化农杆菌, 用于植物转化。 0072 实施例 3 农杆菌介导的烟草遗传转化和转基因植株的 GUS 表达检测 0073 用含有pCAM1391Z-GmChi1p质粒的根癌农杆菌菌液叶圆盘法转化烟草叶片(大小 0.50.5), 共培养 2 天, 随后移至分化培养基 ( 含 50mg/L 潮霉素 ) 进行抗性筛选, 抗性愈 伤每两周继代一次, 直至出现抗性小苗, 移至生根培养基 ( 含 50mg/L 潮霉素 ) 中生根, 炼苗 移。

45、栽, 直至收获 T1代种子。获得的抗性植株用 PCR 法进行阳性检测, 引物分别为 gus 基因 和 hyg 基因内部引物, 产物大小分别为 559bp 和 706bp( 附图 3)。 0074 对转基因烟草进行 GUS 组织化学染色。方法, 利用 X-Gluc 反应液分别处理以下植 物材料 : (1)T0代转基因烟草植株整株 ( 生根小苗 ), (2) 整花切开马上染色, (3) 整花先染 色后切开, (4) 叶片用牙签扎孔损伤 1 小时后染色, (5) 未转基因烟草叶片牙签扎孔损伤 1 小时后染色。各样品材料加入 X-Gluc 反应液 37反应 24 小时, 将反应液吸出, 用 75乙 醇。

46、脱色 2-3 次, 至阴性材料呈白色。肉眼观察或显微照相。 0075 结果如附图 5 所示, GUS 活性强的显示出很深的蓝色, 无蓝色则表示无 GUS 活性或 说 明 书 CN 102618543 B 9 8/8 页 10 GUS 活性很低。未受处理的转基因烟草整株小苗的根中有很强的 0076 GUS表达, 染出很蓝的颜色, 而根部以上组织则无GUS表达(图5A) ; 除花柱头和花 瓣有微弱表达外, 在花的其他部位均无表达 ( 图 5B)。同时, 该启动子还被伤害诱导表达, 在所有的伤害处, 包括叶片切口处 ( 图 6B)、 叶片刺伤处 ( 图 6B 右 )、 花切口处 (6C) 及花柄 切。

47、口处 (6C) 均被高效诱导表达, 而作为阴性对照的未转基因烟草叶片的切口及刺伤处均 无 GUS 表达 ( 图 6A)。我们共获得转基因植株 46 株, 取其中 12 株进行了以上 GUS 表达分 析, 结果表明不同转基因株系均表现出一致的结果, 说明由 SEQID NO : 1 所示序列具有很强 的根特异性兼伤害诱导性的启动子活性。 说 明 书 CN 102618543 B 10 1/1 页 11 0001 序 列 表 CN 102618543 B 11 1/3 页 12 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 102618543 B 12 2/3 页 13 图 4 说 明 书 附 图 CN 102618543 B 13 3/3 页 14 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 102618543 B 14 。

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