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轉(zhuǎn)基因植物的分子檢測(cè)與鑒定方法

瀏覽次數(shù)：7689　發(fā)布日期：2014-8-20　來(lái)源：本站　僅供參考，謝絕轉(zhuǎn)載，否則責(zé)任自負(fù)

隨著分子生物學(xué)和植物基因工程的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的育種工作者開(kāi)始利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)獲得常規(guī)育種技術(shù)難以得到的新種質(zhì)和新品種。植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)最大的好處在于可以打破自然界物種間原有的生殖隔離，促進(jìn)基因在不同物種間的交流，極大地豐富變異類型，增大遺傳多樣性，為植物新品種的培育提供豐富的育種資源。通過(guò)對(duì)基因功能的研究，篩選目的基因，還可實(shí)現(xiàn)植物性狀的定向改良。因此該技術(shù)自1983年首次獲得轉(zhuǎn)基因植物以來(lái)，便深受育種工作者青睞，得到了蓬勃地發(fā)展。至今已有30多科約200多種植物轉(zhuǎn)基因成功；國(guó)際上相繼有30多個(gè)國(guó)家批準(zhǔn)3 000多例轉(zhuǎn)基因植物進(jìn)入田間試驗(yàn)，并且在美國(guó)、加拿大、中國(guó)等20多個(gè)國(guó)家成功進(jìn)行了商品化生產(chǎn)。轉(zhuǎn)基因作物品種在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中日益顯現(xiàn)出巨大潛力。

植物轉(zhuǎn)基因操作中，除利用抗生素抗性和除草劑抗性等選擇基因排除非轉(zhuǎn)化細(xì)胞而留存轉(zhuǎn)化細(xì)胞，以及利用Gus和GFP等報(bào)告基因顯示轉(zhuǎn)基因成功外，更重要的是從分子水平鑒別出陽(yáng)性轉(zhuǎn)化體，明確目的基因在轉(zhuǎn)基因植株中的拷貝數(shù)和轉(zhuǎn)錄與表達(dá)情況。本文就常用的轉(zhuǎn)基因植株檢測(cè)與鑒定方法做一概述，并對(duì)近期發(fā)展起來(lái)的新方法做簡(jiǎn)要介紹。

1 外源基因整合與否及其整合拷貝數(shù)的鑒定

1.1 PCR(polymerase chain reaction)檢測(cè)

1.1.1 常規(guī)PCR

PCR技術(shù)對(duì)目的片段的快速擴(kuò)增實(shí)際上是一種在模板DNA、引物和4種脫氧核糖核苷酸存在的條件下利用DNA聚合酶的酶促反應(yīng)，通過(guò)3個(gè)溫度依賴性步驟(即變性、退火和延伸)完成的反復(fù)循環(huán)。經(jīng)PCR擴(kuò)增所得目的片段的特異性取決于引物與模板DNA間結(jié)合的特異性。根據(jù)外源基因序列設(shè)計(jì)出一對(duì)引物，通過(guò)PCR反應(yīng)便可特異性地?cái)U(kuò)增出轉(zhuǎn)化植株基因組內(nèi)外源基因的片段，而非轉(zhuǎn)化植株不被擴(kuò)增，從而篩選出可能被轉(zhuǎn)化的植株。

由于PCR檢測(cè)所需的DNA用量少，純度要求也不高，無(wú)需用同位素，實(shí)驗(yàn)安全，操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)靈敏，效率高，成本低，使之成為當(dāng)今轉(zhuǎn)基因檢測(cè)不可或缺的方法，被廣泛應(yīng)用。然而，PCR檢測(cè)易出現(xiàn)假陽(yáng)性結(jié)果。引物設(shè)計(jì)不合理，靶序列或擴(kuò)增產(chǎn)物的交叉污染，外源DNA插入后的重排、變異等因素都會(huì)造成檢測(cè)的誤差。因此常規(guī)PCR的檢測(cè)結(jié)果通常僅作為轉(zhuǎn)基因植物初選的依據(jù)，有必要對(duì)PCR技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)PCR(real-time quantitative PCR)檢測(cè)為陽(yáng)性的植株做進(jìn)一步驗(yàn)證。

1.1.2 優(yōu)化的PCR

PCR技術(shù)的優(yōu)化目的在于提高擴(kuò)增產(chǎn)物的特異性、推測(cè)目的基因的拷貝數(shù)及整合情況，從而提高檢測(cè)的效率。常見(jiàn)的有多重PCR(Multiplex PCR， MPCR)、降落PCR(Touchdown PCR，TD-PCR)、 rpPCR、反向PCR(inverse PCR，IPCR)、實(shí)時(shí)定量 PCR等。

1.1.2.1 多重PCR

MPCR是在同一管PCR反應(yīng)體系中，使用多套針對(duì)多個(gè)DNA模板或同一模板的不同區(qū)域進(jìn)行PCR擴(kuò)增的方法。與普通PCR法相比，MPCR反應(yīng)更快捷，更經(jīng)濟(jì)，只需1次PCR反應(yīng)，就能檢測(cè)多個(gè)靶基因。由于MPCR技術(shù)是在同一反應(yīng)管中加多對(duì)引物同時(shí)對(duì)多個(gè)靶位點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，因此對(duì)引物的要求較高，不同引物間的相互干擾應(yīng)降至最低；同時(shí)擴(kuò)增的目的片段大小也不能太接近，否則凝膠電泳時(shí)難以分開(kāi)，無(wú)法辨別。

1.1.2.2 降落PCR

TD-PCR是一種在一個(gè)反應(yīng)管或少數(shù)幾個(gè)反應(yīng)管中通過(guò)一系列退火溫度逐漸降低的反應(yīng)循環(huán)來(lái)達(dá)到最佳擴(kuò)增目的基因的PCR方案。它通過(guò)體系自身的代償功能彌補(bǔ)以反應(yīng)體系和并非完美的循環(huán)參數(shù)所造成的不足。此策略保證了最初形成的引物模板雜交體具最強(qiáng)的特異性。盡管最后一些循環(huán)采用的退火溫度會(huì)降到非特異的Tm值，但此時(shí)的擴(kuò)增產(chǎn)物已開(kāi)始幾何擴(kuò)增，在余下的循環(huán)中處于超過(guò)任何非特異性PCR產(chǎn)物的地位，從而使PCR產(chǎn)物仍然呈現(xiàn)出特異性擴(kuò)增。 R.H.Don等認(rèn)為，PCR過(guò)程中的前幾個(gè)循環(huán)對(duì)于擴(kuò)增產(chǎn)物的純度非常重要，因此前幾個(gè)循環(huán)較高的退火溫度，會(huì)增加引物與模板結(jié)合的特異性，TD-PCR方法可以阻止非特異性產(chǎn)物的形成。由于TD-PCR的策略是在較早的循環(huán)中避免低Tm值配對(duì)，故在TD-PCR中必須采用熱啟動(dòng)技術(shù)。

1.1.2.3 rpPCR

由于外源基因整合到目標(biāo)基因組時(shí)常發(fā)生重排，因此Southern雜交并不能清楚地分析轉(zhuǎn)基因的拷貝數(shù)和整合情況。Kumar和Fladung在研究轉(zhuǎn)基因楊樹(shù)的外源基因整合行為時(shí)發(fā)明了rpPCR方法。這種方法就是利用不同的引物進(jìn)行配對(duì)，對(duì)基因組DNA擴(kuò)增，根據(jù)不同的引物對(duì)的擴(kuò)增情況及產(chǎn)物的大小來(lái)推定 T-DNA的拷貝數(shù)、整合情況及拷貝的完整性等信息。與Southern雜交相比，該法的優(yōu)點(diǎn)在于能比較方便快捷地指出重復(fù)單位是否完整，并能表明這種重復(fù)的方向。此方法的不足之處是在有多拷貝整合在不同的染色體上時(shí)不能顯示作用。

1.1.2.4 反向PCR

IPCR與普通PCR相同之處是都有一個(gè)已知序列的DNA片段，引物都分別與已知片段的兩末端互補(bǔ)。不同的是對(duì)該已知片段來(lái)說(shuō)，普通PCR兩引物的3’--末端是相對(duì)的，而IPCR則是相互反向的。因而 IPCR可以擴(kuò)增已知序列片段旁側(cè)的未知序列。根據(jù)這一特點(diǎn)，可以對(duì)外源基因在植物基因組中整合的拷貝數(shù)進(jìn)行分析，多拷貝多位點(diǎn)整合時(shí)，擴(kuò)增產(chǎn)物在電泳圖譜上呈現(xiàn)多條帶，單拷貝時(shí)只得到一條帶。

然而，該技術(shù)要求DNA模板復(fù)雜度低于109bp，如果高于此值，則不能獲得理想的效果。另外，自連接(環(huán)化)的效率也是限制該技術(shù)成功的因素。

1.1.2.5 實(shí)時(shí)定量PCR

實(shí)時(shí)定量PCR是一種在PCR反應(yīng)體系中加入熒光基團(tuán)，利用熒光信號(hào)積累實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)PCR進(jìn)程，最后通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)未知模板進(jìn)行定量分析的方法。其特點(diǎn)是：特異性好，實(shí)時(shí)定量PCR技術(shù)通過(guò)引物或和探針的特異性雜交對(duì)模板進(jìn)行鑒別，具有很高的準(zhǔn)確性，假陽(yáng)性低；靈敏度高，采用靈敏的熒光檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)熒光信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；線性關(guān)系好，由于熒光信號(hào)的強(qiáng)弱與模板擴(kuò)增產(chǎn)物的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系，通過(guò)熒光信號(hào)的檢測(cè)對(duì)樣品初始模板濃度進(jìn)行定量，誤差��；操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，實(shí)時(shí)定量PCR技術(shù)對(duì)PCR產(chǎn)物的擴(kuò)增和檢測(cè)在閉管的情況下一步完成，不需要開(kāi)蓋，交叉污染和污染環(huán)境機(jī)會(huì)少；沒(méi)有后處理，不用雜交、電泳、拍照。

1.2 Southern雜交

Southern雜交是利用經(jīng)過(guò)標(biāo)記的DNA、RNA探針與靶DNA進(jìn)行特異性雜交，分析外源基因在植物染色體上的整合情況(如拷貝數(shù)、插入方式)以及外源基因在轉(zhuǎn)基因后代的穩(wěn)定性問(wèn)題。Southern雜交可以不受操作過(guò)程中的DNA污染影響和清除轉(zhuǎn)化中的質(zhì)粒殘留所引起的假陽(yáng)性信號(hào)，準(zhǔn)確度高，特異性強(qiáng)，是研究轉(zhuǎn)基因植株外源基因整合最可靠的方法。已廣泛應(yīng)用于水稻、小麥、玉米、大豆、油菜、桃等各類作物轉(zhuǎn)基因植株的檢測(cè)。然而該方法程序復(fù)雜，成本高，且對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)條件要求較高，使其使用受到了限制。

2 外源基因在轉(zhuǎn)化植株中是否轉(zhuǎn)錄的檢測(cè)與鑒定

2.1 Northern雜交

外源基因在轉(zhuǎn)化植株中的轉(zhuǎn)錄水平可以通過(guò)細(xì)胞總RNA和mRNA與探針雜交來(lái)分析，稱為Northern雜交，它是研究轉(zhuǎn)基因植株中外源基因表達(dá)及調(diào)控的重要手段。Northern雜交程序一般分為三個(gè)部分：植物細(xì)胞總RNA的提取探針的制備印跡及雜交。Northern雜交比Southern雜交更接近于目的性狀的表現(xiàn)，因此更有現(xiàn)實(shí)意義。但Northern雜交的靈敏度有限，對(duì)細(xì)胞中低豐度的mRNA檢出率較低。因此在實(shí)際工作中更多的是利用RT-PCR(reverse transcription PCR)技術(shù)對(duì)外源基因的轉(zhuǎn)錄水平進(jìn)行檢測(cè)。

2.2 RT-PCR

RT-PCR的原理是在反轉(zhuǎn)錄酶作用下，以待檢植株的mRNA合成cDNA，再以cDNA為模板擴(kuò)增出特異的DNA。因此，RT-PCR可在mRNA水平上檢測(cè)目的基因是否表達(dá)。RT-PCR十分靈敏，能夠檢測(cè)出低豐度的mRNA，特別是在外源基因以單拷貝方式整合時(shí)，其mRNA的檢出常用RT-PCR。

Samia Djennane等把煙草硝酸還原酶基因Nia2經(jīng)農(nóng)桿菌介導(dǎo)導(dǎo)入馬鈴薯，經(jīng)RT-PCR分析，Nia2基因在轉(zhuǎn)基因馬鈴薯體內(nèi)RNA水平得到表達(dá)。

由于RT-PCR是在總RNA或mRNA水平上操作，檢測(cè)過(guò)程中必須注意RNA的降解和DNA的污染，另外還要設(shè)置嚴(yán)格的對(duì)照來(lái)防止假性結(jié)果的出現(xiàn)。

3 轉(zhuǎn)基因植株外源基因表達(dá)情況的檢測(cè)與鑒定

盡管在mRNA水平也能一定程度地研究外源基因的表達(dá)，但存在mRNA在細(xì)胞質(zhì)中被特異性地降解等情況，mRNA與表達(dá)蛋白質(zhì)的相關(guān)性不高(相關(guān)系數(shù)低于0.5)，基因表達(dá)的中間產(chǎn)物mRNA水平的研究并不能取代基因最終表達(dá)產(chǎn)物的研究。轉(zhuǎn)基因植株外源基因表達(dá)的產(chǎn)物一般為蛋白，外源基因編碼蛋白在轉(zhuǎn)基因植物中能夠正常表達(dá)并表現(xiàn)出應(yīng)有的功能才是植物基因轉(zhuǎn)化的最終目的。外源基因表達(dá)蛋白檢測(cè)主要利用免疫學(xué)原理，ELISA及Western雜交是外源基因表達(dá)蛋白檢測(cè)的經(jīng)典方法。

3.1 ELISA檢測(cè)

ELISA是酶聯(lián)免疫吸附法(enzyme—linked immunosorbent assays)的簡(jiǎn)稱，基礎(chǔ)是抗原或抗體的同相化及抗原或抗體的酶標(biāo)記，把抗原抗體反應(yīng)的高度專一性、敏感性與酶的高效催化特性有機(jī)結(jié)合，從而達(dá)到定性或定量測(cè)定的目的。ELISA有直接法、間接法和雙抗夾心法之分，目前使用最多的是雙抗夾心法，其靈敏度最高。一般ELISA為定性檢測(cè)，但若作出已知轉(zhuǎn)基因成分濃度與吸光度值的標(biāo)準(zhǔn)曲線，也可據(jù)此來(lái)確定樣品轉(zhuǎn)基因成分的含量，達(dá)到半定量測(cè)定。該方法已在棉花、辣椒、水稻、煙草、番茄等多種轉(zhuǎn)化植株的檢測(cè)中應(yīng)用。

使用ELISA檢測(cè)外源基因表達(dá)蛋白具有便捷、靈敏、特異性好、試劑商業(yè)化程度高、成本低、適用范圍廣、試驗(yàn)結(jié)果易讀等特點(diǎn)。但也存在易出現(xiàn)本底過(guò)高，缺乏標(biāo)準(zhǔn)化等問(wèn)題。

3.2 western雜交

Western雜交是將蛋白質(zhì)電泳、印跡、免疫測(cè)定融為一體的蛋白質(zhì)檢測(cè)技術(shù)，其原理是將聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS—PAGE)分離的目的蛋白原位固定在固相膜上(如硝酸纖維膜)，再將膜放入高濃度的蛋白質(zhì)溶液中溫育，以封閉非特異性位點(diǎn)，然后在印跡上用特定抗體(一抗)與目的蛋白(抗原)雜交，再加入能與一抗專一結(jié)合的標(biāo)記二抗，最后通過(guò)二抗上的標(biāo)記化合物的性質(zhì)進(jìn)行檢出。根據(jù)檢出結(jié)果，可知目的蛋白是否表達(dá)，濃度大小及大致的分子量。此方法特異性高，可用于定性檢測(cè)。

由于Western雜交是在翻譯水平上檢測(cè)目的基因的表達(dá)結(jié)果，能夠直接表現(xiàn)出目的基因的導(dǎo)入對(duì)植株的影響，一定程度上反映了轉(zhuǎn)基因的成敗，所以具有非常重要的意義，被廣泛采用。該方法已應(yīng)用于煙草、青蒿、枸杞、楊樹(shù)等相關(guān)目的基因?qū)牒蟮谋磉_(dá)。Western雜交的缺點(diǎn)是操作煩瑣，費(fèi)用較高，不適合做批量檢測(cè)。

4轉(zhuǎn)基因植株檢測(cè)的其它技術(shù)

4.1 基因芯片技術(shù)

生物芯片技術(shù)是起源于核酸分子雜交，于20世紀(jì)80年代提出，90年代初期迅速發(fā)展，生物芯片(biochip)是指高密度固定在固相支持介質(zhì)上的生物信息分子(如寡核苷酸、基因片段、cDNA片段或多肽、蛋白質(zhì))的微陣列。生物芯片可分為基因芯片及蛋白質(zhì)芯片。這兩類芯片都可用于轉(zhuǎn)基因植物的檢測(cè)與鑒定，但目前應(yīng)用潛力較大的是用于轉(zhuǎn)基因植株中外源基因表達(dá)調(diào)控的cDNA芯片。cDNA芯片能夠檢測(cè)出由外源基因整合及外源基因不同的整合方式所引起的植物基因組任何微小的表達(dá)差異。將不同被測(cè)樣品的mRNA分別用不同的熒光物質(zhì)標(biāo)記，各種探針等量混合與同一陣列雜交，可以得到外源基因表達(dá)強(qiáng)度差異的信息，從而實(shí)現(xiàn)外源基因表達(dá)調(diào)控的比對(duì)研究。將目前通用的報(bào)告基因、選擇標(biāo)記基因、目的基因、啟動(dòng)子和終止子的特異片段固定于玻片上制成檢測(cè)芯片，與從待檢植株抽提、擴(kuò)增、標(biāo)記后DNA雜交，雜交信號(hào)經(jīng)掃描儀掃描后，再經(jīng)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行分析判斷，可對(duì)轉(zhuǎn)化植株進(jìn)行有效篩選。

與常規(guī)技術(shù)相比，生物芯片技術(shù)的突出特點(diǎn)是高度并行性、多樣性、微型化及自動(dòng)化。

目前，由于受到成本高的局限，使得該項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用受到了限制，同時(shí)，一些假陽(yáng)性背景也使得其應(yīng)用受限。相信隨著生命技術(shù)的不斷向前發(fā)展，計(jì)算機(jī)處理軟件的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用，生物芯片必將得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

4.2 試紙條技術(shù)

與ELISA原理相似，不同之處是以硝化纖維膜代替聚苯乙烯反應(yīng)板為固相載體。先將特異性抗體吸附在膜上，將膜放入混有樣品的溶液中，蛋白質(zhì)隨著液相擴(kuò)散，遇到抗體，發(fā)生抗原-抗體反應(yīng)，通過(guò)陰性對(duì)照篩選陽(yáng)性結(jié)果，并給出轉(zhuǎn)基因成份含量的大致范圍。試紙條方法是一種快速簡(jiǎn)便的定性檢測(cè)方法，將試紙條放在待測(cè)樣品抽提物中，5-10 min就可得出檢測(cè)結(jié)果，檢測(cè)過(guò)程不需要特殊儀器和熟練技能，經(jīng)濟(jì)便捷，特別適用于田間和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。但試紙條檢測(cè)只能對(duì)特定的單一靶蛋白進(jìn)行檢測(cè)。

另外，近來(lái)有文獻(xiàn)報(bào)道了試紙條檢測(cè)技術(shù)的新發(fā)展，可利用試紙條技術(shù)對(duì)樣品中某一核酸序列進(jìn)行特異性的檢測(cè)，并且實(shí)現(xiàn)了在同一試紙條上對(duì)多個(gè)核酸序列的同時(shí)檢測(cè)。這無(wú)疑拓展了這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用范圍，有助于檢測(cè)效率的提高。

4.3 原位雜交技術(shù)

原位雜交是通過(guò)雜交確定被檢物在樣本中的原本位置，是目前外源基因在染色體上定位及外源基因在組織細(xì)胞內(nèi)表達(dá)定位的主要方法。染色體DNA原位雜交可用來(lái)確定外源基因在染色體上的整合位置，對(duì)研究外源基因遺傳特性有重要意義。許多實(shí)驗(yàn)表明位置效應(yīng)是影響外源基因穩(wěn)定及表達(dá)的重要因素。 mRNA原位雜交可直觀地觀察到外源mRNA的表達(dá)量及不同發(fā)育時(shí)期表達(dá)有否差異。外源基因表達(dá)蛋白的組織細(xì)胞免疫定位可用來(lái)確定表達(dá)蛋白在轉(zhuǎn)基因植物組織及細(xì)胞中的分布，成為研究轉(zhuǎn)基因植物中外源基因功能及外源蛋白穩(wěn)定性的重要手段。A.P.Santos等報(bào)道了利用原位雜交技術(shù)使不同組織和物種在分裂間期的外源基因(包括單拷貝基因)和它的轉(zhuǎn)錄本可視化，與在細(xì)胞分裂中期研究基因行為相比，因基因(外源基因)的表達(dá)主要是發(fā)生在染色體分裂間期的，因此更直觀、更有意義，有助于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)外源基因是否表達(dá)，可望減少外源基因后期檢測(cè)時(shí)間。

4.4 其它方法

近幾年還發(fā)展了一些新的外源基因的檢測(cè)方法，如質(zhì)譜分析、色譜分析、生物傳感器、近紅外光譜、微纖維裝置(Microfabricated Device)等，在轉(zhuǎn)基因植物檢測(cè)中都有應(yīng)用。

綜上所述，轉(zhuǎn)基因植物的檢測(cè)方法有很多。PCR可以檢測(cè)目的基因是否整合在受體細(xì)胞的染色體上，但PCR檢測(cè)靈敏，易受DNA污染，同時(shí)對(duì)多位點(diǎn)插入難以檢測(cè)。檢測(cè)外源基因整合在植物染色體上最可靠的方法就是Southern雜交和原位雜交。Southern雜交可檢測(cè)外源基因插入的拷貝數(shù)和插入方式，是一種較為精確的分析，也是目前鑒定外源基因存在于轉(zhuǎn)基因植物中的權(quán)威方法；原位雜交是可以檢測(cè)外源基因存在的位置、整合外源基因的染色體及外源基因在該染色體上的位置。在外源基因的轉(zhuǎn)錄水平上，可用 Northern雜交和RT-PCR檢測(cè)。Northern雜交是研究轉(zhuǎn)基因植物中外源基因表達(dá)的重要方法，然而較煩瑣，而RT-PCR較之操作簡(jiǎn)單，且更靈敏，特別是單拷貝時(shí)更常用。外源基因若編碼蛋白，在轉(zhuǎn)基因植物中表達(dá)蛋白的檢測(cè)可采用ELISA和Western雜交。用 Western雜交檢測(cè)外源基因是否表達(dá)，用ELISA則可做定量檢測(cè)，兩者常結(jié)合起來(lái)應(yīng)用。

從轉(zhuǎn)基因植物的檢測(cè)技術(shù)來(lái)看，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，多種技術(shù)相互結(jié)合，互相補(bǔ)充，朝著高效、便捷、安全、自動(dòng)化方向發(fā)展。

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轉(zhuǎn)基因植物的分子檢測(cè)與鑒定方法