CN111154776B - 一种耐盐基因及其在培育耐盐微生物中的应用 - Google Patents
一种耐盐基因及其在培育耐盐微生物中的应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种耐盐基因及其在培育耐盐微生物中的应用,涉及生物技术领域。本发明公开的耐盐基因其编码如SEQ ID NO.2所示的蛋白,本发明公开的耐盐基因及其编码蛋白具有耐盐功能,其可用于培育具有耐盐胁迫能力的微生物和植物,为提高微生物和植物的耐盐胁迫能力或抗盐胁迫能力提供一种新的思路或策略。
Description
技术领域
本发明涉及生物技术领域,具体而言,涉及一种耐盐基因及其在培育耐盐微生物中的应用。
背景技术
耐辐射异常球菌(Deinococcus radiodurans R1,DR)因其具有极端辐射抗性而备受科研者的关注。虽然国内外的研究人员已经对D.radiodurans超强的辐射和氧化抗性、DNA损伤修复过程及独特的理化特征等进行了大量的研究和报道,但许多功能未知的基因、蛋白质等生物大分子尚未研究,并且有关D.radiodurans相关抗性的分子机制知之甚少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐盐基因及其在培育耐盐微生物中的应用。本发明提供的耐盐基因及其编码蛋白具有耐盐功能,其可用于培育具有耐盐胁迫能力的微生物和植物,为提高微生物和植物的耐盐胁迫能力或抗盐胁迫能力提供一种新的思路或策略。
除非另外定义,本文所用的全部技术和科学术语都具有本发明相关领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
本发明是这样实现的:
第一方面,本发明实施例提供一种耐盐基因,其编码具有耐盐能力的蛋白,所述蛋白的氨基酸序列如SEQ ID NO.2所示。
本发明的发明人通过研究发现,来自耐辐射异常球菌R1的LolA蛋白(lipoproteinouter membrane localization A)及其编码基因具有耐盐的功能,本文中对该蛋白命名为DrLolA蛋白,其氨基酸序列如SEQ ID NO.2所示,其耐盐功能在本文中被首次揭示。利用该蛋白及其编码基因可以培育耐盐微生物和植物,为提高微生物和植物的耐盐胁迫能力或抗盐胁迫能力提供一种新的思路或策略。
利用http://web.expasy.org/protparam/对DrLolA蛋白氨基酸序列进行在线预测,该蛋白由136个氨基酸组成,分子式C641H1036N186O200S1,其分子量为14.58kDa,理论等电点为9.69,不稳定指数20.23,属于稳定蛋白质;对DrLolA蛋白氨基酸序列分析发现,该蛋白富含Leu(13.2%)、Ala(11.0%),带负电氨基酸残基总数(Asp+Glu)为10,带正电氨基酸残基总数(Arg+Lys)为14,脂肪系数90.44%,总平均疏水指数(GRAVY)为-0.239,同时,采用ProtScale对DrLolA蛋白进行疏水性分析也显示出其高度的亲水特性(图1)。因此,推测该蛋白是一类典型的亲水蛋白。此外,用SOPMA对二级结构预测显示,DrLolA蛋白中8.09%序列参与β折叠,14.71%序列参与α螺旋,无规则卷曲序列比例为42.65%。PSIPRED的二级结构预测结果如图2所示。用TMHMM细胞中定位分析显示,DrLolA蛋白是一种胞外蛋白(图3)。
在可选的实施方式中,所述耐盐基因的碱基序列如SEQ ID NO.1所示。
SEQ ID NO.1所示的碱基序列源自耐辐射异常球菌R1,其编码SEQ ID NO.2所示的蛋白,本发明成功从耐辐射异常球菌R1中克隆并分离出该编码基因。但需要说明的是,基于密码子的简并性,在本发明所公开的内容基础上,本领域技术人员容易想到在SEQ ID NO.1的基础进行密码子的替换或修改,得到不同于SEQ ID NO.1的编码序列,但只要其编码SEQID NO.2所示的蛋白也是属于本发明的保护范围。
第二方面,本发明实施例提供一种具有耐盐能力的蛋白,其氨基酸序列如SEQ IDNO.2所示。
需要说明的是,在其他的一些实施例中,本领域技术人员容易想到在SEQ ID NO.2的基础上进行一个或多个氨基酸的替换(例如使用理化性质类似的氨基酸进行替换等)、添加(例如在蛋白的一端或两端添加标签、荧光标记或融合其他功能性蛋白等)或删除(例如删除该蛋白非功能结构域区域的冗余氨基酸等),所得到的变异体蛋白其氨基酸序列虽然不同于SEQ ID NO.2,但只要其具有与SEQ ID NO.2基本类似、提高或者是降低的耐盐能力,其也是属于本发明的保护范围。
第三方面,本发明实施例提供一种载体,其含有前述实施方式所述的耐盐基因。
第四方面,本发明实施例提供一种重组细胞,其含有前述实施方式所述的载体。
第五方面,本发明实施例提供前述实施方式所述的耐盐基因、前述实施方式所述的蛋白或者前述实施方式所述的载体在培育耐盐微生物中的应用。
在可选的实施方式中,所述应用包括:使所述耐盐基因在目标微生物体内表达。
在可选的实施方式中,目标微生物为细菌。
在可选的实施方式中,目标微生物为大肠杆菌。
需要说明的是,本领域技术人员可以根据实际需要,选择合适的目标微生物,将上述耐盐基因导入其体内,并使该耐盐基因在该目标微生物体内能够持续表达或在特定条件下表达,以赋予该目标微生物耐盐能力,无论是何种类型的目标微生物包括但不限于大肠杆菌,只要其耐盐能力的提高是利用了本发明所提供的耐盐基因,即属于本发明的保护范围。将上述耐盐基因导入微生物体内的技术可以是本领域熟悉已知的常规技术。
第六方面,本发明实施例提供前述实施方式所述的耐盐基因或者前述实施方式所述的蛋白在培育耐盐植物中的应用。
在可选的实施方式中,所述应用包括:使所述耐盐基因在目标植物体内表达。
在可选的实施方式中,所述目标植物选自油菜、烟草、小麦、水稻、大麦、棉花、甘蓝和高粱中的任意一种。
需要说明的是,本领域技术人员可以根据实际需要,选择合适的目标植物,将上述耐盐基因导入其体内,并使该耐盐基因在该目标植物体内能够持续表达或在特定条件下表达,以赋予该目标植物耐盐能力,无论是何种类型的植物包括但不限于油菜、烟草、小麦、水稻、大麦、棉花、甘蓝和高粱,只要其耐盐能力的提高是利用了本发明所提供的耐盐基因,即属于本发明的保护范围。将上述耐盐基因导入植物体内的技术可以是本领域熟悉已知的常规技术。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是D.radiodurans R1 DrLolA蛋白的亲/疏水性分析图谱(其中横坐标表示氨基酸序列,纵坐标表示疏水性分值,疏水性分值越大表明该氨基酸疏水性越强,Hydrophilic——亲水,Hydrophobic——疏水)。
图2是D.radiodurans R1 DrLolA蛋白的二级结构分析图谱。
图3是用TMHMM在线软件对D.radiodurans R1 DrLolA蛋白在细胞内外的预测。
图4是野生型DR和突变株ΔdrlolA在不含NaCl的TGY平板上,30℃培养3天的菌落生长情况,其中:
a是野生型的D.radiodurans R1菌株(DR);
b是缺失drlolA基因的D.radiodurans R1突变体菌株(ΔdrlolA)。
图5是野生型的D.radiodurans R1菌株(DR)和缺失drlolA基因的D.radioduransR1突变体菌株(ΔdrlolA)在含0.15M NaCl的TGY平板上,30℃培养3天的菌落生长情况,其中:
a是野生型的D.radiodurans R1菌株(DR);
b是缺失drlolA基因的D.radiodurans R1突变体菌株(ΔdrlolA)。
图6是野生型的D.radiodurans R1菌株(DR)和缺失drlolA基因的D.radioduransR1突变体菌株(ΔdrlolA)在含0.18M NaCl的TGY平板上,30℃培养3天的菌落生长情况,其中:
a是野生型的D.radiodurans R1菌株(DR);
b是缺失drlolA基因的D.radiodurans R1突变体菌株(ΔdrlolA)。
图7是含有D.radiodurans R1 drlolA的重组质粒pET28a-drlolA电泳图和酶切验证图。
图8是含空载体的对照菌株pET28a/BL21和重组菌株pET28a-drlolA/BL21在不含NaCl的LB平板上37℃、16h后的菌落生长情况,其中:
a是含有空载体质粒的大肠杆菌BL21菌株;
b是含有D.radiodurans R1 drlolA基因表达质粒的大肠杆菌重组菌株。
图9是含空载体的对照菌株pET28a/BL21和重组菌株pET28a-drlolA/BL21在含0.4M NaCl的LB平板上37℃、16h后的菌落生长情况,其中:
a是含有空载体质粒的大肠杆菌BL21菌株;
b是含有D.radiodurans R1 drlolA基因表达质粒的大肠杆菌重组菌株。
图10是含空载体的对照菌株pET28a/BL21和重组菌株pET28a-drlolA/BL21在含0.6M NaCl的LB平板上37℃、16h后的菌落生长情况,其中:
a是含有空载体质粒的大肠杆菌BL21菌株;
b是含有D.radiodurans R1 drlolA基因表达质粒的大肠杆菌重组菌株。
图11是实施例中的pKatAPH3质粒图谱。
图12是实施例中的pET28a质粒图谱。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市售购买获得的常规产品。
凡未注明具体实验条件的,均为按照本领域技术人员熟知的常规条件,例如Sambrook等分子克隆:实验室手册(New York:Cold Spring HarborLaboratory Press,1989)中所述的条件,或按照制造厂商所建议的条件。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例中所举的质粒、菌株及试剂如下:
(1)质粒:
pKatAPH3(携带Km抗性基因)质粒(见图11)由西南科技大学保存并提供,表达载体pET28a(见图12)由西南科技大学保存并提供,pET28a-drlolA(drlolA基因片段与表达载体pET28a通过酶切连接)重组质粒由本研究构建。
(2)实验菌株:
耐辐射异常球菌Deinococcus radiodurans Rl野生型菌株(CGMCC 1.633)由中国普通微生物菌种保藏中心提供;突变株ΔdrlolA(缺失drlolA基因的D.radiodurans Rl菌株)由本研究构建,D.radiodurans Rl及其突变菌株均在TGY培养基中生长,最适培养温度为30℃;
大肠杆菌Escherichia coli trans 109及BL21(DE3)菌株购自北京全式金生物技术公司;pET28a/BL21(空载体pET28a转化大肠杆菌BL21菌株获得的重组菌株)、pET28a-drlolA/BL21(重组质粒pET28a-drlolA转化大肠杆菌BL21菌株获得的重组菌株)由本研究构建,E.coli及其重组菌株均在LB培养基中生长,培养温度为37℃。
(3)生化试剂:限制性内切酶购自NEB公司;dNTPs、高保真Primestar HS DNApolymerase、T4 DNA连接酶等购自大连宝生物公司(TaKaRa);琼脂糖凝胶DNA回收试剂盒、普通DNA产物纯化试剂盒、普通质粒小提试剂盒均购自天根生化科技公司(TIANGEN);IPTG、抗生素等购自阿拉丁(aladdin);实验中所用引物合成及测序均由华大基因公司完成。
(4)培养基:
LB培养基:胰蛋白胨10g/L,酵母提取物5g/L,NaCl 10g/L,pH调至7.0,固体培养基中加入琼脂(Agar)15g/L。高压蒸汽(121℃,1.034×105Pa)灭菌30min。
TGY培养基:胰蛋白胨10g/L,酵母提取物5g/L,葡萄糖1g/L,固体培养基中加入Agar 15g/L。高压蒸汽(112℃,1.034×105Pa)灭菌30min。
(5)抗生素及主要溶液配制:
卡那霉素(Km)(50mg/mL):称取0.5g卡那霉素粉末,溶于10mL双蒸水中,滤膜过滤后分装,保存于-20℃冰箱;
IPTG(100mmol/L):称取0.24g IPTG,溶于10mL双蒸水中,滤膜过滤后分装,保存于-20℃冰箱;
CaCl2(0.3mol/L):称取4.5g CaCl2·2H2O粉末,溶解于80mL双蒸水中,定容至100mL,高压蒸汽(121℃)灭菌。
实施例1
从NCBI的GeneBank中获得D.radiodurans R1全基因组序列和质粒pKatAPH3序列,根据drlolA基因序列和卡那抗性基因序列设计引物(见表1)。
表1基因片段扩增所用的引物
采用融合PCR方法构建突变株ΔdrlolA。以D.radiodurans R1基因组DNA为模板,分别用表1中合成的引物U-F/U-R扩增drlolA基因上游片段,扩增产物drlolA-U长度为596bp;用D-F/D-R引物扩增drlolA基因下游片段,扩增产物drlolA-D长度为484bp;以pKatAPH3质粒为模板,用K-F/K-R引物扩增卡那抗性基因片段,扩增产物K长度为1007bp。分别对各扩增产物进行纯化回收,在反应体系中加入等摩尔的三片段产物,引物U-F/D-R,采用一步融合法进行融合PCR反应,得到三片段的融合产物drlolA-UKD(2087bp)。PCR反应条件为:94℃10min;94℃1min;60℃1min;72℃5min;17个循环;94℃1min;60℃1min;72℃3min;30个循环;72℃10min。
对融合产物drlolA-UKD(2087bp)进行测序验证,完全与实验设计的序列一致。通过同源重组转化野生型D.radiodurans R1。在含有10μg/mL的Km平板上筛选缺失突变株ΔdrlolA。通过PCR方法对ΔdrlolA进行鉴定。以突变株ΔdrlolA基因组DNA为模板,用drlolA-F/drlolA-R引物扩增drlolA基因片段,未获得408bp条带,而在阳性对照D.radiodurans R1基因组DNA中能够扩增出408bp大小条带;以突变株ΔdrlolA基因组DNA为模板,用UU-F/K’-R引物扩增UU-K片段获得1827bp条带,用K’-F/DD-R引物扩增DD-R片段获得1862bp条带,以D.radiodurans R1基因组DNA为模板扩增未获得任何条带,同时以无菌水作空白对照也未扩得条带。结果表明,卡那抗性基因完全替代了drlolA基因,完整的整合到drlolA基因在D.radiodurans R1基因组所在的位置。
实施例2
D.radiodurans R1 drlolA基因缺失突变株ΔdrlolA的盐胁迫实验
(1)实验方法
分别从划线培养的TGY平板上挑取野生型DR与突变株ΔdrlolA单菌落接种到2mLTGY液体培养基中(突变株培养基中含有10μg/mL Km抗生素),30℃振荡培养至对数中期,1%分别转接到新鲜的50mL TGY液体培养基中(突变株培养基中含有10μg/mL Km抗生素),培养至对数初期(OD600≈0.6),各取1mL菌液,梯度稀释(10-1至10-5)之后分别点样于0MNaCl、0.15M NaCl、0.18M NaCl的TGY平板上,经30℃恒温培养3天,观察野生型和突变株在TGY培养基平上的生长情况。分别进行三次独立重复实验。
(2)实验结果
盐胁迫对菌株具有强烈的杀伤作用,利用含有NaCl的TGY培养基进行盐胁迫处理,分析高浓度NaCl对野生型DR和突变株ΔdrlolA生长的影响。图4是D.radiodurans R1菌株和突变株在0M NaCl的TGY平板上30℃培养3天的生长情况,图5是D.radiodurans R1菌株和ΔdrlolA突变株在0.15M NaCl的TGY平板上30℃培养3天的生长情况,图6是D.radioduransR1菌株和ΔdrlolA突变株在0.18M NaCl的TGY平板上30℃培养3天的生长情况图片,其中:a是野生型DR菌株;b是缺失drlolA基因的D.radiodurans R1突变株ΔdrlolA;从图中可清楚看出:
0M NaCl的TGY平板上:
D.radiodurans R1菌株和ΔdrlolA突变株在不含NaCl的TGY平板上30℃培养3天后,野生型DR菌株与缺失drlolA基因的突变株ΔdrlolA生长能力基本一致(见图4);
0.15M NaCl胁迫处理:
D.radiodurans R1菌株和ΔdrlolA突变株在0.15M NaCl的TGY平板上30℃培养3天后,野生型DR菌株与缺失drlolA基因的突变株ΔdrlolA的生存能力均有所下降,而突变株ΔdrlolA对盐胁迫更加敏感,尤其是10-4和10-5梯度下,其生存能力低于野生型DR菌株(见图5)。
0.18M NaCl胁迫处理:
D.radiodurans R1菌株和ΔdrlolA突变株在0.18M NaCl的TGY平板上30℃培养3天后,野生型DR菌株与缺失drlolA基因的突变株ΔdrlolA的生存能力也均有所下降,突变株ΔdrlolA较野生型DR菌株的菌落形成相差至少二个数量级,其生存能力远低于野生型DR菌株(见图6)。
(3)实验结论
野生型DR菌株对盐胁迫的抗性高于缺失drlolA基因的突变株ΔdrlolA。
实施例3
D.radiodurans R1 drlolA基因在大肠杆菌中的表达
根据已公布的D.radiodurans R1基因组中的drlolA基因序列设计1对PCR特异性引物,从D.radiodurans R1基因组DNA中扩增完整的核苷酸序列:
Up:5’-CGGGATCCATGCTCGCGCGGCTCCAGTTCGCC-3’;
Down:5’-CCCAAGCTTTTACGCGGCGTTGAGGCCACTGTTG-3’。
通过PCR方法从D.radiodurans R1的基因组中扩增出目的基因片段,反应条件:95℃10min,[95℃30sec,62℃30sec,72℃30sec]35个循环,72℃10min,PCR产物经胶回收;然后通过BamH I/Hind III双酶切获得含有粘性末端的pET28a表达载体及drlolA基因片段,将drlolA片段连接于pET28a载体上,构建大肠杆菌重组表达质粒pET28a-drlolA,将该重组表达质粒pET28a-drlolA转化大肠杆菌BL21,经PCR、质粒酶切和测序验证***序列正确(见图7),将该重组菌株命名为pET28a-drlolA/BL21。
将含有pET28a空质粒的E.coli BL21命名为pET28a/BL21。
实施例4
含D.radiodurans R1 drlolA基因重组菌株的盐胁迫实验
(1)实验方法
a)将实施例3中获得的含有D.radiodurans R1 drlolA基因的pET28a-drlolA/BL21菌株与含空载体的pET28a/BL21菌株分别接种于20mL LB液体培养基(含Km抗生素)中,摇瓶过夜(37℃)培养后,再分别转接于100mL的LB液体培养基中,保持接种量的一致,培养30min后加入终浓度为0.1mM的IPTG,继续培养至OD600≈0.5即可。
b)取1mL的菌液,梯度稀释(10-1至10-5)之后分别点样于0M NaCl、0.4M NaCl、0.6MNaCl的LB平板上,经37℃培养16h,观察菌落形成情况并照相。分别进行三次独立重复实验。
(2)实验结果
图8、9和10是盐胁迫试验前后的大肠杆菌的生长状况的菌落照片,其中:a是含有空载体质粒的大肠杆菌BL21菌株;b是含有D.radiodurans R1drlolA基因表达质粒的大肠杆菌重组菌株;从图中可清楚看出:
不含NaCl的LB平板上:
将空载菌株pET28a/BL21和重组菌株pET28a-drlolA/BL21在不含NaCl的平板上经37℃培养16h后,含有D.radiodurans R1 drlolA基因的pET28a-drlolA/BL21菌株与含空质粒的pET28a/BL21菌株生长能力基本一致(见图8);
0.4M NaCl胁迫处理:
将空载菌株pET28a/BL21和重组菌株pET28a-drlolA/BL21在0.4M NaCl的平板上经37℃培养16h后,空载菌株pET28a/BL21和重组菌株pET28a-drlolA/BL21生存能力均有所下降,而空载菌株pET28a/BL21对盐胁迫更加敏感;空载菌株pET28a/BL21较重组菌株pET28a-drlolA/BL21的菌落形成相差至少一个数量级,其生存能力远低于重组菌株pET28a-drlolA/BL21(见图9)。
0.6M NaCl胁迫处理:
将空载菌株pET28a/BL21和重组菌株pET28a-drlolA/BL21在0.6M NaCl的平板上经37℃培养16h后,空载菌株pET28a/BL21的生存能力进一步下降,较重组菌株pET28a-drlolA/BL21的菌落形成相差二个数量级,其生存能力远低于重组菌株pET28a-drlolA/BL21(见图10)。
(3)实验结论
含有D.radiodurans R1 drlolA基因的重组菌株对盐胁迫的抗性远高于只含空质粒的菌株,该基因的表达提高了大肠杆菌的抗盐胁迫能力。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
SEQUENCE LISTING
<110> 西南科技大学
<120> 一种耐盐基因及其在培育耐盐微生物中的应用
<160> 2
<170> PatentIn version 3.3
<210> 1
<211> 408
<212> DNA
<213> 耐辐射异常球菌(Deinococcus radiodurans) R1
<400> 1
ctcgcgcggc tccagttcgc cgcccccgac gccctggccg acaacatcgt cgtggccgac 60
cgcaaggaag tgcgtcagta cctcttcctg accaaccaga tcacggttat gccgctgagc 120
aaggcgacgg gccagagcgg cctgggcgac ctcgacttca cgcagctgag caaccccgcc 180
tcgctgctcg cgggctacaa cgtcaaactg ctcggcacca gcggcagcgc gggccagcgc 240
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gaccttaacg tcagcaacta caagaccaac agtggcctca acgccgcg 408
<210> 2
<211> 136
<212> PRT
<213> 耐辐射异常球菌(Deinococcus radiodurans) R1
<400> 2
Leu Ala Arg Leu Gln Phe Ala Ala Pro Asp Ala Leu Ala Asp Asn Ile
1 5 10 15
Val Val Ala Asp Arg Lys Glu Val Arg Gln Tyr Leu Phe Leu Thr Asn
20 25 30
Gln Ile Thr Val Met Pro Leu Ser Lys Ala Thr Gly Gln Ser Gly Leu
35 40 45
Gly Asp Leu Asp Phe Thr Gln Leu Ser Asn Pro Ala Ser Leu Leu Ala
50 55 60
Gly Tyr Asn Val Lys Leu Leu Gly Thr Ser Gly Ser Ala Gly Gln Arg
65 70 75 80
Thr Phe Gln Leu Glu Ala Gln Pro Lys Asn Gly Gly Thr Asp Arg Thr
85 90 95
Arg Val Trp Ile Thr Glu Ala Gly Trp Arg Pro Thr Arg Val Gln Leu
100 105 110
Leu Ser Ser Gly Lys Thr Val Ala Asp Leu Asn Val Ser Asn Tyr Lys
115 120 125
Thr Asn Ser Gly Leu Asn Ala Ala
130 135
Claims (7)
1.一种耐盐基因,其特征在于,其编码具有耐盐能力的蛋白,所述蛋白的氨基酸序列如SEQ ID NO.2所示。
2.根据权利要求1所述的耐盐基因,其特征在于,所述耐盐基因的碱基序列如SEQ IDNO.1所示。
3.一种具有耐盐能力的蛋白,其特征在于,其氨基酸序列如SEQ ID NO.2所示。
4.一种载体,其特征在于,其含有权利要求1或2所述的耐盐基因。
5.一种重组细胞,其特征在于,其含有权利要求4所述的载体。
6.权利要求1或2所述的耐盐基因、权利要求3所述的蛋白或者权利要求4所述的载体在培育耐盐大肠杆菌中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用,其特征在于,所述应用包括:使所述耐盐基因在目标大肠杆菌体内表达。
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