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文檔簡介
外源水楊酸對玉米干旱脅迫的緩解作用實證研究摘要為探討外源水楊酸(SA)對玉米干旱脅迫的緩解作用,以玉米種子為試材,采用15%PEG模擬干旱脅迫,研究不同濃度(0、0.5、1.0、1.5和2.0mmol/L)水楊酸處理對干旱脅迫下玉米種子萌發(fā)及幼苗生理特性的影響。結(jié)果表明,15%PEG脅迫對玉米的發(fā)芽勢、發(fā)芽率,幼苗主根的生長沒有顯著的抑制作用,但顯著降低玉米種子的活力指數(shù)、發(fā)芽指數(shù),抑制幼苗芽的生長和側(cè)根的形成,提高幼苗的MDA和脯氨酸的含量。比較各種濃度SA處理對15%PEG干旱脅迫緩解,以0.5mmol/LSA處理效果最佳,既提高玉米的活力指數(shù)、降低幼苗MDA含量,又促進(jìn)幼苗芽、根以及側(cè)根的生長。因此,15%PEG脅迫抑制玉米種子萌發(fā)和幼苗的生長,0.5mmol/LSA能緩解干旱脅迫。關(guān)鍵詞玉米;水楊酸;干旱脅迫;種子萌發(fā);幼苗生長;MDA;脯氨酸目錄TOC\o"1-3"\h\u202291引言 引言植物的生長和發(fā)育與光照、溫度、水分、空氣以及土壤等環(huán)境因子密切相關(guān)REF_Ref22764\r\h[1]。當(dāng)這些環(huán)境因子發(fā)生劇烈變化的幅度超過了植物正常生活的承受范圍,植物的生長發(fā)育乃至生存會受到威脅,這種變化稱為逆境或者脅迫REF_Ref23659\r\h[2]。影響植物生長的非生物脅迫常見的包括有水分脅迫(干旱和澇害)、溫度脅迫(高溫、冷害和凍害)及鹽脅迫等REF_Ref23721\r\h[3]REF_Ref23727\r\h[4],其中干旱是最普遍的植物逆境或非生物脅迫形式之一REF_Ref23780\r\h[5]。據(jù)不完全統(tǒng)計,世界上干旱半干旱區(qū)遍及50多個國家和地區(qū),其總面積約占陸地總面積的三分之一,且有逐年增加的趨勢。在我國大約占全國土地總面積的45%處于干旱半干旱地區(qū),主要位于華北、西北、內(nèi)蒙古以及青藏高原等地區(qū)REF_Ref23861\r\h[6]。當(dāng)植物遇到干旱時,其正常生理活動受到抑制,作物的產(chǎn)量會下降,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動會受到阻礙。從全球荒漠化問題的嚴(yán)重性出發(fā),研究干旱對植物生長發(fā)育的影響是緩解當(dāng)前水資源短缺的主要研究方向之一。同時,為了緩解植物干燥問題,有必要采取適當(dāng)?shù)难芯糠椒ǎ谶m當(dāng)?shù)难芯糠椒ǖ幕A(chǔ)上,建立一套適合植物干燥的定量指標(biāo)體系。因此,因此,研究抗旱性及其對植物生長發(fā)育的影響是當(dāng)前國內(nèi)外科學(xué)家關(guān)注的重要課題之一,也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。水楊酸(SA)是一種簡單酚類化合物,植物體內(nèi)能生成。SA是一種被人們廣泛認(rèn)為的新型的植物內(nèi)源激素以及植物體對脅迫應(yīng)答的一種信號傳遞分子。近年來的大量研究表明,外源SA通過調(diào)節(jié)植物的抗病、抗旱、抗高溫等多種抗逆生理過程,能對植物起到一定保護(hù)作用REF_Ref25670\r\h[7]。種子萌發(fā)是種子植物生命史上的一個重要時期,也是研究植物抗旱性的一個重要時期。材料與方法試驗材料玉米種子,由武漢市文鼎種子公司提供。聚乙二醇選用PEG-6000,水楊酸選用磺基水楊酸,均由國藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司生產(chǎn)。人工氣候恒溫恒濕培養(yǎng)箱箱的型號為HPX-30085H-III。試驗方法試驗前挑選籽粒飽滿、大小一致的玉米種子,先采用溫湯浸種(55℃的溫水浸種15min)浸種,然后轉(zhuǎn)入一般浸種(水溫25℃左右,浸泡4h),期間換水1次。玉米種子萌發(fā)試驗采用紙上培養(yǎng)法。在培養(yǎng)皿中放置兩層濾紙,隨機(jī)選擇經(jīng)過浸種的飽滿的玉米種子,并將種子表面的水分吸干,然后置于培養(yǎng)皿中,每個培養(yǎng)皿擺放25粒種子,定量加入處理溶液15ml。用PEG-6000模擬干旱脅迫,根據(jù)本課題組預(yù)實驗結(jié)果設(shè)定PEG-6000濃度為15%。外源SA濃度分別為0.5mmol/L、1.0mmol/L、1.5mmol/L和2.0mmol/L,以清水為對照。共有6個處理組合(見表1)。每處理重復(fù)3次。培養(yǎng)皿加蓋后,將種子置于人工氣候箱恒溫恒濕培養(yǎng)箱(設(shè)置全天候光照,濕度85%,溫度20℃)。連續(xù)培養(yǎng)11d,期間每天定時更換濾紙,加入相應(yīng)的處理溶液15ml,避免水勢減少變動。培養(yǎng)后第2d開始記錄種子發(fā)芽情況。玉米種子的發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)為胚根突破種皮達(dá)種子長度的1/2,每天定時記錄和處理發(fā)芽種子的數(shù)量,及時處理腐爛種子。玉米種子培養(yǎng)11d后,從每個培養(yǎng)皿內(nèi)隨機(jī)選擇10株幼苗,測主根長、芽長以及數(shù)側(cè)根數(shù),同天測定幼苗丙二醛(MDA)和脯氨酸(Pro)含量。表1PEG-6000和SA的配伍組合組合代號PEG-6000濃度(%)SA(mmol/L)CK100CK2150S1150.5S2151.0S3151.5S4152.0測定項目與方法種子發(fā)芽指標(biāo)的測定REF_Ref26454\r\h[8]發(fā)芽勢(%)=玉米前4天發(fā)芽的種子數(shù)/供試玉米種子總數(shù)×100%;發(fā)芽率(%)=玉米第8天的萌發(fā)種子數(shù)/供試種子總數(shù)×100%;發(fā)芽指數(shù)(GI)=∑(Gt/Dt)。式中Gt為第t天玉米發(fā)芽的種子數(shù),Dt為玉米相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù);活力指數(shù)=發(fā)芽指數(shù)×S。式中S為玉米幼苗根和芽的總長度。生理生化的測定玉米種子培養(yǎng)的第11d取幼苗測量幼苗體內(nèi)丙二醛(MDA)和脯氨酸(Pro)含量。測定方法均參照李小方、張志良主編的《植物生理學(xué)實驗指導(dǎo)》。數(shù)據(jù)分析使用Excel表格分析所有數(shù)據(jù)并繪制圖形,采用SASS17.0軟件對記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。結(jié)果與分析外源SA對15%PEG-6000干旱脅迫下玉米種子萌發(fā)的影響外源SA對15%PEG干旱脅迫下玉米種子發(fā)芽勢的影響從表2可以看出,經(jīng)過15%PEG干旱處理后,玉米種子的發(fā)芽勢雖然比CK1的降低了2.11%,但兩個處理的發(fā)芽勢差異不顯著。在15%PEG模擬干旱脅迫下不同濃度外源SA對玉米種子的萌發(fā)有影響。表現(xiàn)出當(dāng)水楊酸濃度在0.5mmol/L至1.5mmol/L之間的各處理與CK1和CK2之間差異不顯著,當(dāng)水楊酸的濃度為2.0mmol/L時,其發(fā)芽勢顯著低于CK1和CK2。因此,就發(fā)芽勢而言,玉米經(jīng)過15%PEG干旱脅迫,對其發(fā)芽勢沒有顯著的影響;在15%PEG干旱脅迫條件下,添加0.5mmol/L、1.0mmol/L、1.5mmol/LSA,對玉米種子的發(fā)芽勢影響不顯著,而添加2.0mmol/LSA反而使玉米種子的發(fā)芽勢顯著降低。表2外源SA處理對PEG干旱脅迫下玉米種子發(fā)芽勢的影響處理發(fā)芽勢CK193.33±3.34aCK291.22±1.84aS189.33±12.22aS293.33±6.11aS386.67±2.31abS476.00±6.93b注:圖表中同列數(shù)值后不同字母表示在0.05水平上的顯著差異,下同。外源SA對15%PEG干旱脅迫下玉米種子發(fā)芽率的影響由表3可知,CK1和CK2之間差異不顯著,這說明15%PEG模擬干旱脅迫對玉米種子的發(fā)芽率無顯著影響。在干旱脅迫下,不同濃度的水楊酸對干旱脅迫下的玉米種子發(fā)芽率的影響略有不同,表現(xiàn)出當(dāng)水楊酸濃度在0.5mmol/L、1.0mmol/L、1.5mmol/L、2.0mmol/L時的各處理的發(fā)芽率與CK1和CK2之間的差異顯著,但水楊酸濃度為2.0mmol/L的處理的發(fā)芽率顯著低于水楊酸濃度為1.0mmol/L、1.5mmol/L的處理。因此,低濃度的水楊酸對在干旱脅迫下的玉米種子發(fā)芽率無顯著的影響,而高濃度的水楊酸對在干旱脅迫下的玉米種子不僅不能起到緩解作用,還會顯著抑制種子的萌發(fā)。表3外源SA處理對PEG干旱脅迫下玉米種子發(fā)芽率的影響處理發(fā)芽率(%)CK188.88±3.85abCK293.37±3.39abS193.33±11.55abS296.00±4.00aS394.67±2.31aS482.67±6.11b外源SA對15%PEG干旱脅迫下玉米種子發(fā)芽指數(shù)的影響從圖1可以看出,經(jīng)過15%PEG處理后,玉米種子的發(fā)芽指數(shù)顯著低于CK1,表明15%PEG干旱脅迫降低了玉米種子的發(fā)芽指數(shù)。在15%PEG干旱脅迫條件下,添加0.5mmol/L、1.0mmol/L、1.5mmol/L、2.0mmol/LSA,不僅未減緩干旱脅迫的影響,反而使玉米種子的發(fā)芽指數(shù)隨著SA濃度的增加而顯著降低。圖1外源SA處理對PEG干旱脅迫下玉米種子發(fā)芽指數(shù)的影響外源SA對15%PEG干旱脅迫下玉米種子活力指數(shù)的影響由圖2可知,經(jīng)15%PEG處理后,玉米種子的活力指數(shù)顯著低于CK1,表明15%PEG干旱脅迫降低了玉米種子的活力。在15%PEG模擬干旱脅迫條件下,添加不同的外源SA對玉米種子活力指數(shù)的影響不同,呈一個上升后下降的趨勢,表現(xiàn)出當(dāng)添加0.5mmol/LSA時,玉米活力指數(shù)上升,緩解了干旱脅迫對玉米的危害,而添加1.0mmol/L、1.5mmol/L、2.0mmol/LSA,不僅不會減緩干旱脅迫的影響,反而是使玉米種子萌發(fā)的活力指數(shù)隨著SA濃度的升高增加而顯著降低。因此,低濃度的外源SA(0.5mmol/L)對玉米的干旱脅迫有輕微的緩解作用,而高濃度的外源SA(1.5mmol/L、2.0mmol/L)對玉米的干旱脅迫無緩解作用。圖2外源SA處理對PEG干旱脅迫下玉米種子活力指數(shù)的影響外源SA對15%PEG干旱脅迫下玉米幼苗生長的影響外源SA對15%PEG干旱脅迫下玉米幼苗根長的影響經(jīng)15%PEG處理后,玉米種子萌發(fā)期幼苗的主根長與CK1差異不顯著,說明15%PEG溶液對玉米幼苗的根的生長無明顯的影響。在15%PEG模擬干旱脅迫條件下,不同濃度的外源SA對干玉米種子萌發(fā)期幼苗主根長的影響不同,隨SA濃度的增加,玉米幼苗的主根長呈一個下降趨勢。表現(xiàn)出當(dāng)外源SA濃度在1.0mmol/L、1.5mmol/L時各處理與對照組之間的差異不顯著,當(dāng)外源SA濃度在0.5mmol/L時,玉米種子萌發(fā)期幼苗主根長長度顯著增加,明顯緩解15%PEG對玉米幼苗的生長的脅迫作用,提高幼苗的抗旱能力,促進(jìn)生長;濃度為1.0mmol/L、1.5mmol/LSA處理與對照組差異不顯著;當(dāng)外源SA濃度在2.0mmol/LSA時,則主根長度顯著低于對照組(P<0.05),比對照組降低1.84cm。低濃度的外源SA(0.5mmol/L)對玉米的干旱脅迫有輕微的緩解作用,濃度為1.0mmol/L~2.0mmol/LSA時未能緩解干旱脅迫作用,而且隨著SA濃度的增加,玉米萌發(fā)期幼苗生長受抑制程度增加,高濃度的外源SA(2.0mmol/L)則顯著抑制幼苗生長。表4外源SA對15%PEG干旱脅迫下玉米幼苗根長的影響處理主根長(cm)CK14.26±0.29abCK24.50±2.25abS15.07±0.31aS24.26±0.57abS33.29±0.06abS42.66±0.62b外源SA對15%PEG干旱脅迫下玉米幼苗芽長的影響經(jīng)15%PEG處理后,玉米種子萌發(fā)期幼苗的芽長顯著低于CK1(P<0.05),說明15%PEG干旱脅迫明顯抑制萌發(fā)期玉米幼苗芽的生長。在15%PEG模擬干旱脅迫條件下,當(dāng)濃度為0.5mmol/L~2.0mmol/LSA之間的各處理雖然明顯低于CK1,但均顯著長于CK2。說明濃度為0.5mmol/L~2.0mmol/LSA能明顯緩解15%PEG對玉米幼苗的芽生長的脅迫作用,而且它們各處理之間的差異不明顯(見圖3)。圖3外源SA對15%PEG干旱脅迫下玉米幼苗芽長的影響外源SA對15%PEG干旱脅迫下玉米幼苗側(cè)根數(shù)的影響結(jié)果見表5。經(jīng)15%PEG處理后,玉米種子萌發(fā)期幼苗的側(cè)根數(shù)與CK1差異顯著(P<0.05),說明15%PEG干旱脅迫明顯抑制萌發(fā)期玉米幼苗側(cè)根的發(fā)生。在15%PEG模擬干旱脅迫條件下,不同濃度的外源SA對干玉米種子萌發(fā)期幼苗側(cè)根數(shù)的影響不同,呈一個下降趨勢。表現(xiàn)出當(dāng)外源SA濃度在1.0mmol/L、1.5mmol/L、2.0mmoll/L時各處理與CK2之間的差異不顯著,說明它們對15%PEG的脅迫無緩解作用。當(dāng)外源SA濃度在0.5mmol/L時,玉米種子萌發(fā)期幼苗側(cè)根數(shù)數(shù)量顯著增加,明顯緩解15%PEG對玉米幼苗的生長的脅迫作用,提高幼苗的抗旱能力,促進(jìn)側(cè)根發(fā)生。表5外源SA對15%PEG干旱脅迫下玉米幼苗側(cè)根數(shù)的影響處理側(cè)根數(shù)CK120.37±0.83aCK29.73±2.65cS115.60±0.36bS210.10±2.90cS37.56±0.50cS46.43±4.12c外源SA對15%PEG干旱脅迫下玉米種子萌發(fā)生理指標(biāo)的影響外源SA對15%PEG干旱脅迫下玉米幼苗脯氨酸(Pro)含量的影響在干旱、鹽等不利條件的脅迫下,隨著植物含水量的降低,植物感到缺水,會產(chǎn)生脯氨酸等可溶性滲透物質(zhì),以減少水分的流失。由表6可以看出,經(jīng)15%PEG處理后,玉米種子萌發(fā)期幼苗的Pro含量顯著高于CK1處理(P<0.05),說明經(jīng)過干旱脅迫后,玉米幼苗Pro含量升高。在15%PEG模擬的干旱脅迫條件下,外源SA濃度在1.0mmol/L、1.5mmol/L、2.0mmoll/L時各處理與CK2之間的差異不顯著,說明不同濃度的外源SA對干玉米萌發(fā)期幼苗Pro含量的影響不大。表6外源SA對15%PEG干旱脅迫下玉米幼苗脯氨酸(Pro)含量的影響處理Pro含量CK10.0078±0.0027bCK20.0260±0.0035aS10.0268±0.0018aS20.0234±0.0020aS30.0206±0.0132aS40.0251±0.0013a外源SA對15%PEG干旱脅迫下玉米幼苗丙二醛(MDA)含量的影響MAD是膜脂過氧化作用的最終產(chǎn)物,反映膜系統(tǒng)受傷害程度的重要標(biāo)志之一。由表7可知,經(jīng)15%PEG處理后,玉米種子萌發(fā)期幼苗中MDA含量顯著高于CK1(P<0.05),說明玉米種子經(jīng)過干旱脅迫后膜系統(tǒng)受到破壞。在15%PEG模擬干旱脅迫條件下,不同濃度的外源SA對干玉米種子萌發(fā)期幼苗MDA含量的影響不同。表現(xiàn)出當(dāng)外源SA濃度在1.5mmol/L時與CK2之間的差異不顯著;濃度為1.0mmol/L、1.5mmol/L、2.0mmoll/LSA時與CK2有著顯著性差異,MDA含量顯著性降低,明顯緩解15%PEG對玉米幼苗的膜系統(tǒng)的破壞,提高幼苗的抗旱能力,促進(jìn)生長;濃度為2.0mmoll/LSA處理后玉米幼苗中MDA含量又顯著降低。表7外源SA對15%PEG干旱脅迫下玉米幼苗丙二醛(MDA)含量的影響處理MDA含量CK10.01025±0.00098bcCK20.01461±0.00115aS10.00944±0.00068cS20.01169±0.00108bS30.01450±0.00191aS40.01167±0.00070b討論與結(jié)論水分對種子萌發(fā)至關(guān)重要,干旱脅迫造成環(huán)境中可利用水分不足,影響植物種子吸水進(jìn)程,從而抑制種子萌發(fā)REF_Ref26023\r\h[9]。在植物的種子萌發(fā)和幼苗生長階段是對干旱最敏感的時期。如果這一時期受到干旱的威脅,輕則種子發(fā)芽率會有所下降,出芽時間會減慢;重則種子發(fā)芽能力會完全喪失,幼苗會死亡REF_Ref27052\r\h[10]。干旱脅迫能影響植物細(xì)胞膜的透性,使種子的萌發(fā)受到抑制,嚴(yán)重時會導(dǎo)致種子代謝紊亂或死亡。SA通過內(nèi)源信號的傳遞維持細(xì)胞膜的正常滲透壓,維持細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能的完整性,從而提高種子與幼苗在逆境下萌發(fā)與生長的能力。張利霞等REF_Ref5575\r\h[10]研究表明,適宜濃度SA處理可以有效緩解水分虧缺對夏枯草種子萌發(fā)及幼苗生長的抑制作用,提高種子發(fā)芽能力;促進(jìn)幼苗生長。較低濃度(0.5~2.0mmol/L)的SA可以提高干旱脅迫下夏枯草的發(fā)芽率等萌發(fā)指標(biāo),隨著SA濃度升高其緩解效果也隨之增加,并且以SA濃度為2.0mmol/L的效果最佳:而高濃度(3.0mmol/L)SA處理下,SA的緩解作用則下降。本試驗中,15%PEG模擬干旱脅迫,以0.5mmol/LSA處效果最佳,其提高活力指數(shù)、降低幼苗MDA含量,促進(jìn)幼苗芽、根以及側(cè)根的生長。其余濃度的SA對玉米干旱脅迫的緩解作用不明顯,甚至在高濃度時加重抑制玉米種子萌發(fā)和幼苗的生長。因此,不同濃度SA對于不同植物品種的干旱脅迫緩解效果不同。MDA是膜脂過氧化的產(chǎn)物。MDA含量可作為衡量細(xì)胞膜系統(tǒng)損傷程度的指標(biāo)之一,也是衡量植物抗逆性最直觀的指標(biāo)??寡趸富钚砸彩侵参锟鼓嫘缘闹匾憩F(xiàn)REF_Ref5673\r\h[11]。干旱脅迫破壞植物細(xì)胞膜,產(chǎn)生大量自由基,增加MDA含量。通過提高SOD、pod、cat等抗氧化酶活性,清除活性氧自由基,保護(hù)植物膜系統(tǒng)的完整性。干旱脅迫下,SA處理能提高玉米根系相關(guān)抗氧化酶活性,降低MDA含量[12]。本研究發(fā)現(xiàn),15%PEG模擬干旱脅迫下,0.5mmol/LSA處理后,玉米幼苗MDA含量相對于對照組顯著降低,這表明在干旱條件下,適宜濃度的SA對植物細(xì)胞膜具有保護(hù)作用,使植物細(xì)胞膜免受干旱的傷害,使其正常生長發(fā)育。脯氨酸作為一種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),在植物脅迫下對植物細(xì)胞具有重要的保護(hù)作用。在干旱條件下,植物體內(nèi)脯氨酸含量增加,脯氨酸含量與植物的抗旱性和抗逆性呈正相關(guān)。本研究結(jié)果表明,15%PEG脅迫后,玉米幼苗體內(nèi)的脯氨酸的含量,說明植物在逆境中產(chǎn)生應(yīng)急反應(yīng),保護(hù)自己。而且,在干旱脅迫下適宜濃度的SA可提高玉米幼苗中脯氨酸的含量,表明干旱脅迫時SA通過增加玉米幼苗的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來保持細(xì)胞內(nèi)的水分,進(jìn)而提高玉米幼苗的抗旱性,并表現(xiàn)出促進(jìn)植物生長的作用。在干旱脅迫下,植物由于持續(xù)脫水,膜的功能受損或結(jié)構(gòu)破壞,相對膜透性持續(xù)增大,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)外滲。MDA是細(xì)胞膜脂過氧化的最終分解產(chǎn)物,其質(zhì)量摩爾濃度是反應(yīng)細(xì)胞膜脂過氧化作用強(qiáng)弱與細(xì)胞質(zhì)膜破壞程度的重要指標(biāo)REF_Ref27878\r\h[13]。SA對細(xì)胞膜脂過氧化具有一定的抑制作用REF_Ref27907\r\h[14]。干旱脅迫下,一品紅MDA積累,電解質(zhì)滲出率增加,而施用外源SA降低了MDA質(zhì)量摩爾濃度和電解質(zhì)滲出率,說明SA能夠在一定程度上緩解干旱脅迫對細(xì)胞膜的傷害。在脅迫條件下,植物體內(nèi)活性氧含量隨鹽度、干旱、低溫或高溫的增加而增加,導(dǎo)致膜功能異常REF_Ref27959\r\h[15],抑制植物生長。水楊酸在逆境中起信號分子或化學(xué)信號分子的作用,誘導(dǎo)植物產(chǎn)生保護(hù)物質(zhì)REF_Ref27986\r\h[16]。許多研究表明,適宜濃度的水楊酸對于植物在逆境脅迫下,可以提高植物體細(xì)胞膜中SOD、POD等的活性,通過清除活性氧自由基,減少膜脂過氧化,減少M(fèi)DA的積累,保持細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)的穩(wěn)定性,提高植物的抗逆性。REF_Ref28028\r\h[17]。但不同的植物適宜不同濃度的外源SA,如能提高小麥種子REF_Ref28028\r\h[18]、鳳仙花種子REF_Ref30820\r\h[19]、花椰菜種子REF_Ref30797\r\h[20]、黃瓜幼苗REF_Ref30748\r\h[21]耐鹽性的SA濃度分別為1g/LSA、50mg/LSA、1.0mmol/LSA、150mg/L。綜上所述,15%PEG干旱脅迫抑制玉米種子萌發(fā)和幼苗的生長,濃度為0.5mmol/L的SA能緩解干旱脅迫作用。SA對于干旱脅迫的緩解效應(yīng)研究還處于探索階段,某些生理指標(biāo)的變化需要進(jìn)一步驗證。。
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