韓小冰 馬 玲 謝 龍

(黑河市森林病蟲防治檢疫站,黑河,164300) (北京林業(yè)大學(xué)) (東北林業(yè)大學(xué))

自PaulMuller應(yīng)用DDT進(jìn)行害蟲防治開創(chuàng)了化學(xué)農(nóng)藥研發(fā)的先河以來,毋庸置疑,化學(xué)農(nóng)藥為人類的生產(chǎn)生活做出了不可抹殺的貢獻(xiàn),具有效率高、見效快、實施簡易、可大規(guī)模應(yīng)用、防治成本低、投入產(chǎn)出比高等優(yōu)點。但與此同時,化學(xué)農(nóng)藥本身固有的缺點和人們不合理的長期濫用,其毒副作用及對環(huán)境和生態(tài)平衡造成的負(fù)面影響也有目共睹,這與實現(xiàn)人類可持續(xù)生存發(fā)展的理念背道而馳。因此,符合健康、環(huán)保、持續(xù)發(fā)展概念的農(nóng)藥開發(fā)成為當(dāng)今農(nóng)藥研究的主題。植物藥以其副作用小、對人畜及非靶標(biāo)生物毒性低、對環(huán)境兼容性好、病蟲害不易產(chǎn)生抗逆性等優(yōu)點而日益成為全球農(nóng)藥發(fā)展的一種趨勢和方向,它符合現(xiàn)代社會對農(nóng)林及農(nóng)藥的要求。

1 植物藥資源調(diào)查

殺蟲植物資源在地球上的蘊藏十分豐富,有人估計,有毒植物種類約占植物資源種類總數(shù)的4%左右。我國現(xiàn)已查清約有近千種植物具有殺蟲活性物質(zhì)。在《中國有毒植物》一書列入有毒植物1 300多種,其中絕大多數(shù)具有殺蟲活性。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計,作為農(nóng)藥的植物主要集中于楝科(Meliaceae)、菊科(Compositate)、豆科(Legumi-nosae)、衛(wèi)矛科(Celastraceae)和大戟科(Euphor-biaceqe)等,其中以楝科、菊科、衛(wèi)矛科最有開發(fā)價值[1]。20世紀(jì)90年代以來,我國對具有殺蟲活性的植物資源進(jìn)行了較深入的調(diào)查研究,如張興等系統(tǒng)地調(diào)查了西北地區(qū)的殺蟲植物種類,在陜西、寧夏甘肅、青海、新疆等5個省份發(fā)現(xiàn)具有研究和進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用價值的植物有47種[2];姜雙林等對甘肅省陳東地區(qū)的殺蟲植物資源進(jìn)行了調(diào)查,發(fā)現(xiàn)35種植物具有殺蟲活性[3];王云峰等發(fā)現(xiàn)12科17種植物具有殺蟲功用[4];宋玉霞等在寧夏荒漠地區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn)有9科21屬22種野生植物有殺蟲效果[5];周亞平等經(jīng)過調(diào)查統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)江西撫州地區(qū)有42科61屬68種植物具有殺蟲效果[6];李國平等報道了福建殺蟲植物資源53科107種,其中苦楝、苦皮藤、魚藤等12種植物具有較高的開發(fā)應(yīng)用價值[7];劉濟(jì)明通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)貴州農(nóng)藥植物資源有58科115種(含亞、變種)[8];柴承佑等發(fā)現(xiàn)安徽植物源農(nóng)藥有300種,其中已經(jīng)在生產(chǎn)中加以應(yīng)用的木本植物源農(nóng)藥有37科68種[9];金大勇等調(diào)查并報道了長白山野生殺蟲植物資源共有63科182種[10]。張明等發(fā)現(xiàn)黑龍江境內(nèi)廣泛分布的8種天然植物對害蟲具有毒殺效果。但是就我國植物資源的蘊藏量來說,目前的開發(fā)利用還是相當(dāng)有限,需要人們投入更大的精力去挖掘。

2 植物藥的殺蟲機(jī)制

2.1 活性成分

植物在長期的生存競爭中所遵循的優(yōu)勝劣汰法則,導(dǎo)致了其在抵御各種逆境或者傷害過程中形成了體內(nèi)所特有的生物活性物質(zhì),這種活性成分往往不止一種,而是復(fù)雜繁多,近乎包括所有化學(xué)成分,主要有除蟲菊酯、生物堿類、光活化毒素類、黃酮類、萜類與揮發(fā)油(精油)、毒蛋白等。最近幾年,在深入研究除蟲菊(Pyrethrum cinerariifolium)、印楝(Melia indica)、煙草(Nicotiana tabacum)、魚藤(Derris ssp)等植物殺蟲活性成分的基礎(chǔ)上,又分離鑒定了許多具有殺蟲作用植物的活性成分。目前,已分離、鑒定出殺蟲活性成分的植物種類有20～30種。如張國洲等對瑞香狼毒根乙醇提取物進(jìn)行石油醚萃取,從萃取物中分離得到活性成分β-谷甾醇;利用氯仿萃取,從萃取物中分離得傘形花內(nèi)酯、瑞香亭、狼毒色原酮3種活性成分;高平等從瑞香狼毒中分離出1,5-二苯基-1-戊酮和1,5-二苯基-戊烯酮兩種天然殺蚜蟲活性成分等。但這與殺蟲植物資源的豐富程度相比,還相差很遠(yuǎn),所以尚需人們進(jìn)一步的研究和探索。

2.2 作用方式及機(jī)理

植物藥的作用方式主要表現(xiàn)為拒食、忌避、毒殺、引誘、不育、抑制生長發(fā)育、胃毒、薰蒸等。植物藥按照其作用機(jī)理大體分為4種,分別是神經(jīng)毒劑、呼吸毒劑、消化毒劑和生長調(diào)節(jié)劑[11]。

具有神經(jīng)毒劑功能的植物含有麻醉的活性成分。植物藥的活性成分?jǐn)_亂了昆蟲中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞正常的信息編碼,從而對其取食行為產(chǎn)生影響。羅都強(qiáng)等通過試驗得出雷公藤總堿對5齡菜青蟲有很強(qiáng)的麻醉作用,麻醉中量ND50為2.29μg/g[12]。胡兆農(nóng)等研究證實麻醉成分苦皮藤素Ⅴ是一種麻醉成分,中毒癥狀為試驗昆蟲蟲體麻痹、對外界的刺激沒有反應(yīng)、蟲體松弛癱軟,儀器測試后發(fā)現(xiàn)心率失衡、心率下降、耗氧量降低,這可能是苦皮藤素Ⅴ作用于昆蟲的神經(jīng)——肌肉突觸的結(jié)果導(dǎo)致。

具有呼吸毒劑功能是指植物可抑制昆蟲呼吸,最終導(dǎo)致蟲體窒息死亡。奈醌類物質(zhì)作用于昆蟲細(xì)胞內(nèi)線粒體復(fù)合體,達(dá)到抑制昆蟲呼吸的作用;番荔支皂可以干擾昆蟲細(xì)胞的能量代謝。魚藤酮是呼吸作用電子傳遞鏈中Ⅰ位點的抑制劑,進(jìn)入蟲體后導(dǎo)致呼吸減弱、行為緩慢遲滯、麻痹,最終導(dǎo)致死亡;從番荔枝(Annona squamosa)和巴婆(Asimina triloba)中提取的幾種殺蟲成分都具有四氫呋喃脂肪酸內(nèi)酯的結(jié)構(gòu),后者則是強(qiáng)烈的呼吸抑制劑。

具有消化毒劑功能的植物破壞昆蟲的消化系統(tǒng),造成蟲體死亡。劉惠霞等通過電鏡觀察和生化分析認(rèn)為,苦皮藤素V對昆蟲的胃毒作用主要是破壞了昆蟲中腸細(xì)胞的質(zhì)膜系統(tǒng)[13]。唐古特瑞香(Daphne tangutica)提取物能夠使菜粉蝶中腸圍食膜消失,腸壁細(xì)胞分隔模糊,脂肪體呈消融狀,組織受到破壞;徐漢虹等的研究表明,唐古特瑞香能使菜粉蝶幼蟲α-乙酸萘酯酶和β-乙酸萘酯酶的活力顯著降低[14]?？鄥A、金雀花堿對昆蟲具有胃毒麻痹作用,致使昆蟲不能進(jìn)食或飽食而致死。

昆蟲體內(nèi)的激素起到平衡正常生長、發(fā)育、變態(tài)的作用,激素代謝失衡會干擾昆蟲生活史周期的進(jìn)程。印楝素正是通過破壞蛻皮激素和保幼激素的平衡而抑制昆蟲的生長發(fā)育的。楊東升等研究發(fā)現(xiàn)家蠅幼蟲的生長發(fā)育受到了顯著的抑制,是一定濃度的川楝素作用的結(jié)果,并且家蠅的一些蛹出現(xiàn)畸形現(xiàn)象,這表明川楝素是一種很好的生長抑制劑[15]。印楝、馬櫻丹、女貞等植物葉的提取物對一種潛蠅(Liriomyza trifolii)的生長發(fā)育有一定的抑制作用[16]。

3 植物藥對害蟲的有效作用

近年來國內(nèi)外報道的有關(guān)植物藥的研究頗多,目前研究較為廣泛深入的有幾個科屬,這些研究成果有效地控制了一些害蟲的發(fā)生和危害。

3.1 楝科殺蟲植物

該科中目前研究最廣泛的有印楝、苦楝、川楝3種植物。而這3種植物中對印楝的研究首當(dāng)其沖。已經(jīng)證實提取自印楝種核及葉子中的多種殺蟲活性成分中,印楝素(Azadirachtin)的活性最強(qiáng),而印楝素等楝科植物中所含的多種殺蟲活性物質(zhì)均屬于四環(huán)三萜類化合物。印楝素具有很多很強(qiáng)生理活性,分別是殺蟲、拒食、抑制生長發(fā)育、胃毒、忌避、抑制呼吸、抑制昆蟲激素分泌和降低昆蟲生育能力等,其中最為顯著的是殺蟲、拒食、忌避和抑制生長發(fā)育作用。據(jù)統(tǒng)計,印楝制劑可以防治250多種害蟲。包括林業(yè)、農(nóng)業(yè)、衛(wèi)生、畜禽、儲藏害蟲等[17]。盧川川等通過室內(nèi)的選擇和非選擇性取食試驗,發(fā)現(xiàn)大于10mg/L印楝素處理過的濾紙,家白蟻取食量明顯減少[18]。李忠英等人采用中科院昆明植物研究所研制的0.5%的印楝素乳油,對小菜蛾和菜粉蝶幼蟲進(jìn)行室內(nèi)毒力測定,結(jié)果表明,0.5%的印楝素對小菜蛾和菜粉蝶幼蟲具有一定的拒食作用,幼蟲取食量減少,幼蟲出現(xiàn)蛻皮延遲,蛻皮畸形直至死亡的現(xiàn)象,各濃度印楝素處理幼蟲15～20 d之后,小菜蛾幼蟲死亡率達(dá)60%～90%[19]。劉曉波研究表明印楝素對碼絹金龜?shù)某上x具有較強(qiáng)的忌避作用和拒食作用,點滴試驗證實印楝素處理碼絹金龜幼蟲14d后,印楝素對其的生長抑制率為52%～54%[20]。李曉東、陳文奎等通過室內(nèi)生物測定證實,印楝素對斜紋夜蛾幼蟲具有毒殺、拒食、抑制生長發(fā)育的活性。放射免疫測定進(jìn)一步表明,印楝素對害蟲的促前胸腺激素活性有抑制作用,導(dǎo)致其生長發(fā)育受阻[21]。還有研究證明印楝油具有增效的作用,因為在乳化劑中添加印楝油可增加印楝素在昆蟲體壁的富集[22]。

相對而言,我國對川楝和苦楝研究的較多,其中所含的殺蟲活性成分主要是川楝素,是1955年從韌皮部中分離出來的,是一種四環(huán)三萜類化合物,目前己分離出20多種川楝素,川楝素對昆蟲主要表現(xiàn)為拒食、胃毒及一定的生長發(fā)育抑制作用。趙善歡、張興等通過試驗測定,苦楝的根、皮、木質(zhì)部內(nèi)對三化螟具有內(nèi)吸毒殺的活性成分含量較高,而種核內(nèi)的含量較低[23];韋成禮、唐巧等的測試表明種核提取物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時,印楝素對成螨或若螨的防治效果達(dá)94.4%,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時,殺卵效果達(dá)98.7%以上[24-25],但種核粉用不同的溶劑提取液其提取物的殺蟲活性相差較大。

3.2 衛(wèi)矛科殺蟲植物

衛(wèi)矛科中具有殺蟲活性的植物主要有苦皮藤、雷公藤和南蛇藤。其中對苦皮藤的研究較多?？嗥ぬ偎丶捌渲苿οx具有拒食、麻醉、觸殺、忌避活性。20世紀(jì)50年代我國就有學(xué)者將苦皮藤根皮粉用于天幕毛蟲、玉米象的殺蟲效果試驗,結(jié)果表明其具有胃毒、觸殺、驅(qū)避作用,能明顯地抑制種群數(shù)量的增長。將苦皮藤種油加工成50%的CA油乳劑,室內(nèi)生物測定的結(jié)果表明,菜青蟲、二十八星瓢蟲取食后表現(xiàn)出明顯的拒食現(xiàn)象,田間防治試驗表明,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～2.0%時對菜青蟲的防治效果為85.4%～91.2%,用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的苦皮藤乳油處理菜葉雖對菜葉上的菜青蟲卵的孵化沒有十分顯著影響,但幼蟲孵化后的存活率卻顯著下降。

3.3 豆科殺蟲植物

豆科中具有殺蟲活性的植物主要有苦參、魚藤、紫穗槐、非洲山毛豆等,其中魚藤是最早被世界公認(rèn)的最重要植物之一。魚藤酮是從魚藤屬、灰葉屬、雞血藤屬、梭果屬、紫穗槐、豬屎豆等植物中提取出來的,主要存在于根部,具有觸殺、胃毒、抑制生長發(fā)育和拒食的作用。魚藤酮對菜粉蝶幼蟲、小菜蛾和蚜蟲具有強(qiáng)烈的觸殺作用和胃毒作用。0.02%～0.04%的魚藤酮能有效地防治各種作物上的蚜蟲,魚藤酮對Ⅴ齡菜青蟲幼蟲的口服致死中量(LD50)為2.658μg/g,低于高效低毒的乙酰甲胺磷農(nóng)藥的LD50(68.3μg/g)[26]。除魚藤酮外,在魚藤類植物中還分離并鑒定了灰葉素、魚藤素、灰葉素等多種有殺蟲活性的化合物。這類化合物都具有一個四環(huán)結(jié)構(gòu),通稱為魚藤酮類化合物[27]。這類化合物在空氣中易氧化,易分解,在作物上殘留時間短,可用在防治蔬菜、瓜果等作物上的害蟲。

3.4 菊科殺蟲植物

關(guān)于菊科殺蟲植物的介紹,據(jù)Grainge等的殺蟲植物數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計,在有殺蟲活性的1600種殺蟲植物中,有160種是菊科植物[28]。

提到菊科植物在農(nóng)藥方面的應(yīng)用當(dāng)屬除蟲菊,人們對它的研究和應(yīng)用由來已久。現(xiàn)已明確了除蟲菊中含有6種殺蟲有效成分,即除蟲菊素I(PyrethrinⅠ)、除蟲菊素Ⅱ(PyrethrinⅡ)、瓜葉除蟲菊素Ⅰ(CinerinⅠ)、瓜葉除蟲菊素Ⅱ(CinerinⅡ)、茉酮除蟲菊素Ⅰ(JasmolinⅠ)、茉酮除蟲菊素Ⅱ(JasmolinⅡ),除蟲激素主要通過觸殺作用來達(dá)到殺蟲的效果。在國外,對除蟲激素的殺蟲效果的研究較多。SudoiV等用除蟲菊素噴灑有薊馬的茶葉,單位面積薊馬平均數(shù)量由156頭降到了13.5頭;Tunbel E等用Spnizit(除蟲菊素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%)防治卷心菜上的菜粉蝶幼蟲,結(jié)果表明,當(dāng)Spruzit質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時,對菜粉蝶幼蟲不但具有很高的致死作用,而且具有拒食和驅(qū)避作用;與對照相比,處理組幼蟲蛻皮時間延長,而且化蛹時間較晚、化蛹不均勻,Spruzit質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%時發(fā)現(xiàn)菜粉蝶幼蟲蛹前期時間變短。用除蟲菊素與魚藤酮混用防治梨小食心蟲時,作用效果明顯好于蘇云金桿菌,在防治葡萄上的害蟲時也發(fā)現(xiàn),在魚藤酮中加入除蟲菊素可起到增效作用。

在國內(nèi),對除蟲菊素的研究和應(yīng)用也在進(jìn)行,但進(jìn)程緩慢。云南省農(nóng)藥檢定所和廣東省農(nóng)藥檢定所做了除蟲菊素的田間藥效試驗,結(jié)果表明,用稀釋2 500倍的5%除蟲菊素乳油防治甘藍(lán)蚜蟲,發(fā)現(xiàn)施藥1 d后,防治效果達(dá)到80%左右;使用相同稀釋倍數(shù)的5%除蟲菊素乳油和10%氯氰菊酯防治蔬菜蚜蟲,后者效果不如前者。

通過近20a對菊科的另一殺蟲植物萬壽菊的研究,分離出了三噻吩和呋喃乙炔2種化學(xué)成分,試驗結(jié)果表明這2種化學(xué)成分具有明顯的光活化活性。大田試驗中應(yīng)用萬壽菊根的甲醇提取液防治小菜蛾,1%的提取液噴霧2 d后,幼蟲死亡率達(dá)86%。萬壽菊根的甲醇索氏提取液對小菜蛾成蟲產(chǎn)卵有強(qiáng)烈的忌避作用。

3.5 茄科殺蟲植物

煙草(Nicotiana tabacum)作為一種傳統(tǒng)的植物藥,人們對它的研究逐漸深入。煙草整個植株都含有殺蟲成分煙堿(Nicotine),但以葉中含量最多,莖中最少。越老熟的煙草煙葉所含的煙堿越多。煙堿對昆蟲具有胃毒、觸殺和熏蒸、殺卵作用。一般用來防治果樹、蔬菜、茶葉、棉花等經(jīng)濟(jì)作物上的薊馬、蚜蟲、菜青蟲、卷葉蛾等害蟲。

番茄(Lcopersicon esculentum)也是一種重要的殺蟲植物,主要成分是番茄素(Tomatine),它對馬鈴薯甲蟲具有一定的拒食作用。番茄的莖葉水提取物可以有效防治菜粉蝶幼蟲,葉乙醚提取物對家蠅和蜂類有非常好的防治效果。

3.6 杜鵑花科殺蟲植物

該科植物黃杜鵑(Rhododendron molle)在我國作為殺蟲植物使用的歷史悠久,黃杜鵑中有3種活性較高的毒素物質(zhì),分別是鬧羊花素-III(簡稱R-III)、Kalmanol和Grayanotoxin-III,其中RI是主要的殺蟲成分,R-III屬于四環(huán)三萜類化合物,在黃杜鵑的花、嫩葉、根、莖不同部位質(zhì)量分?jǐn)?shù)各不相同,花中質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高(0.20%)。R-III對黏蟲、馬鈴薯象甲、斜紋夜蛾、美洲斑潛蠅、甜菜夜蛾等多種害蟲有強(qiáng)烈的拒食、毒殺及生長發(fā)育抑制作用[29-31]。此外,R-III對小菜蛾還具有顯著的產(chǎn)卵忌避作用和較明顯的殺卵作用[32]。研究表明,R-III能明顯降低昆蟲血淋巴和肌肉中的海藻糖含量,從而破壞昆蟲的正常生理功能[33-34]。

3.7 瑞香科植物殺蟲植物

瑞香科植物中對瑞香狼毒的研究比較多。張國洲等研究發(fā)現(xiàn),瑞香狼毒根乙醇提取物(簡稱SCEE)對菜粉蝶幼蟲、亞洲玉米螟幼蟲和桃蚜有很強(qiáng)的生物活性。采用活性跟蹤方法,從SCEE中已分離鑒定出4種活性成分,分別是傘形花內(nèi)酯、瑞香亭、狼毒色原酮和β-谷甾醇。進(jìn)一步研究表明,瑞香亭、狼毒色原酮和β-谷甾醇能破壞昆蟲體內(nèi)生物環(huán)境,干擾昆蟲的正常新陳代謝[35]。

4 植物藥發(fā)展存在的問題及發(fā)展前景

中國植物資源豐富,為植物藥開發(fā)利用提供了豐富的殺蟲活性物質(zhì),且具有巨大潛力,但是也不能忽略現(xiàn)在我國植物藥開發(fā)利用當(dāng)中存在的問題。

①直接利用多,間接利用少,直接加工需大量植物材料,會帶來過度采挖而造成資源枯竭和生態(tài)環(huán)境的破壞。即使對具有殺蟲活性的物質(zhì)進(jìn)行引種,也會因生態(tài)環(huán)境的變化而對活性物質(zhì)的產(chǎn)量產(chǎn)生影響。

②植物源農(nóng)藥的研究,應(yīng)在弄清活性物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)與活性的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,有針對性地開發(fā)實用化合物。目前,大多數(shù)植物源農(nóng)藥還停留在粗提物和復(fù)配階段,對植物中活性物質(zhì)及其作用機(jī)制缺乏深入研究。

③目前,多數(shù)品種成本較高,作用時間長,見效慢,田間持效期短,往往要重復(fù)用藥,致使植物藥的推廣困難。

④穩(wěn)定性差,植物次生代謝物質(zhì)的種類、含量除受自身遺傳因子控制外,還受外界環(huán)境條件(如土壤、溫度、光照、土壤pH值)、土壤營養(yǎng)成分和周圍生物群落等的影響。

⑤難以確定植物當(dāng)中的有效成分。不同植物、相同植物的不同部位有效成分不同,同一種植物含有多種不同有效成分,這都給人工合成造成了很大的困難。

⑥植物藥科研成果轉(zhuǎn)化率低。這是由于科研與生產(chǎn)分屬不同部門,利益各不相關(guān),科研成果和技術(shù)轉(zhuǎn)讓渠道不通暢,由此制約了許多極具應(yīng)用前景的植物殺蟲劑的市場化進(jìn)程。

⑦產(chǎn)品制劑化困難,質(zhì)量不穩(wěn)定。許多植物殺蟲劑的有效成分為活性物質(zhì),我國生物制劑的劑型和生產(chǎn)工藝達(dá)不到所要求的產(chǎn)品制劑化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。另外,產(chǎn)品的理化指標(biāo)、穩(wěn)定性和不同批次間的有效成分含量,都不能達(dá)到商品化要求,致使活性物質(zhì)農(nóng)藥制劑化成為我國植物殺蟲劑發(fā)展的一個瓶頸。

雖然植物是生物活性物質(zhì)的天然寶庫,產(chǎn)生的次生代謝產(chǎn)物超過40萬種,但是用于農(nóng)藥先導(dǎo)物的新的生物活性物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)及高效植物源農(nóng)藥的開發(fā),需要時間和資金的巨大投入。可以預(yù)見,植物藥代替化學(xué)農(nóng)藥需要一段時日,但是,隨著中國各級政府和企業(yè)對新農(nóng)藥創(chuàng)制的投入加大以及研究隊伍的擴(kuò)大,高精密儀器和現(xiàn)代生物技術(shù)的使用,色譜技術(shù)、核磁共振、質(zhì)譜、單晶、X-射線衍射技術(shù)的進(jìn)步,可持續(xù)發(fā)展的觀念和人們環(huán)境保護(hù)意識越來越深入人心,發(fā)展植物性農(nóng)藥已成為一個不可逆轉(zhuǎn)的趨勢,中國植物藥的研究和開發(fā)必將有著廣闊的前景。

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