李國龍, 孫亞卿, 邵世勤, 張永豐
(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010018; 2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010018)
干旱是對植物影響較大的逆境生態(tài)因子,也是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個重要制約因素[1-3]。干旱脅迫使植物細(xì)胞分裂,細(xì)胞增長被顯著抑制,植株生長緩慢;使植物體內(nèi)活性氧代謝平衡被破壞,大量自由基在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生,膜質(zhì)過氧化程度加劇,使膜系統(tǒng)受到損傷甚至損壞,嚴(yán)重時導(dǎo)致細(xì)胞組織解體[4-6]。植物對干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制一直是植物生理生態(tài)學(xué)研究的熱點,特別是近年來,隨著分子生物學(xué)思想和方法的不斷滲入,推動該領(lǐng)域的研究與探索步入一個充滿活力的新階段[7]。目前,圍繞干旱脅迫下植物表觀形態(tài)及生理生化應(yīng)答機(jī)制的研究較多[8-12]。然而,植物抗旱性是受多個基因控制的復(fù)雜數(shù)量性狀,涉及細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)能力、內(nèi)源激素調(diào)控能力、膜質(zhì)抗氧化能力、蛋白質(zhì)抗脫水能力等諸多途徑,因此,進(jìn)一步深入研究植物耐旱性的生理響應(yīng)機(jī)制,明確起關(guān)鍵作用的主效途徑,可為下一步有目的地開展抗旱基因組、蛋白組及代謝組研究提供依據(jù)。
甜菜(BetavulgarisL .)是我國重要的糖料作物和經(jīng)濟(jì)作物之一,其種植區(qū)域主要分布在我國東北、西北和華北廣大地區(qū),該區(qū)域可利用水資源相對匱乏,周期性或難以預(yù)期的干旱已成為限制甜菜生產(chǎn)的主要因素[13-14]。除了依賴高效節(jié)水的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)灌溉措施來解決這一問題,最大限度地挖掘甜菜自身的抗旱潛力、培育甜菜抗旱新品種是另一條有效途徑。而明確不同抗旱性甜菜對干旱的生理響應(yīng)差異,闡明其抗旱的主要生理途徑,明確抗旱相關(guān)的重要生理指標(biāo),對抗旱甜菜品種的篩選和培育有重要的現(xiàn)實意義。為此,本試驗對甜菜幼苗進(jìn)行不同程度的水分處理,分析不同程度水分虧缺及復(fù)水后甜菜幼苗在可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸、甜菜堿等滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)及脫落酸、生長素等部分內(nèi)源激素方面的生理響應(yīng),探討相關(guān)生理參數(shù)與甜菜抗旱性的關(guān)系,以期為進(jìn)一步研究甜菜對干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制和篩選甜菜耐旱性品種提供參考依據(jù)。
供試材料為強(qiáng)抗旱品種HI0466(瑞士先正達(dá)公司選育)和弱抗旱性品種KWS9454(德國KWS公司選育),品種抗旱性鑒定工作已經(jīng)得以開展[15]。本試驗于2016年4—10月在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)甜菜生理研究所進(jìn)行。采用室內(nèi)盆栽試驗,選取相同規(guī)格60 cm×40 cm×20 cm的培養(yǎng)箱,每箱裝入 35 kg 試驗田表土并伴入適量的緩釋肥料。土壤田間持水量、永久萎蔫系數(shù)分別為21%、7.5%,土壤pH值為6.8。幼苗培育在人工氣候室進(jìn)行,氣候室參數(shù)設(shè)置為溫度25 ℃,光—暗周期 14 h—10 h。每箱留健壯幼苗30株,在幼苗生長至6張真葉時開始進(jìn)行脅迫處理。對照每箱澆灌6.5 L水,使土壤含水量維持在飽和含水量的75%~80%,每天06:00通過稱質(zhì)量法對土壤含水量進(jìn)行監(jiān)測;脅迫處理停止?jié)菜{迫持續(xù)5 d后復(fù)水至對照水平。分別于處理后第1、3、5天(分別記作T1、T2、T3)和復(fù)水后第1、2天(分別記作T4、T5)取對照和處理植株長勢一致的完全展開的第3、4張葉進(jìn)行相關(guān)生理指標(biāo)的測定。
可溶性糖含量的測定采用蒽酮比色法[16];游離脯氨酸含量的測定采用茚三酮法[16];可溶性蛋白質(zhì)含量的測定采用考馬斯亮藍(lán)G-250法[17];甜菜堿含量的測定采用化學(xué)比色法[18];K+含量的測定采用火焰光度計法[19];吲哚-3-乙酸(簡稱IAA)、脫落酸(簡稱ABA)含量的測定采用酶聯(lián)吸附免疫分析法[18];葉水勢的測定采用壓力室法,利用ZLZ-A型植物水分測定儀在09:00測定[20];
試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS 13.0進(jìn)行分析與處理。其中圖表制作采用Excel 2007,而不同處理間差異顯著性分析及主成分分析采用SPSS 13.0,圖中數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值。
2.1.1 甜菜幼苗葉片可溶性糖含量對水分脅迫的響應(yīng) 水分脅迫下植物體內(nèi)可通過增加細(xì)胞原生質(zhì)濃度來起到抗脫水作用,可溶性糖就屬于該類物質(zhì)的一種。從圖1可以看出,在正常供水條件下,不同抗旱性甜菜葉片可溶性糖含量變化基本趨于穩(wěn)定,波動不大,不同抗旱性品種間差異不顯著。在脅迫第1天時,與對照差異不顯著;隨著脅迫程度增加,不同抗旱性品種甜菜葉片可溶性糖含量均表現(xiàn)出升高趨勢,但是抗旱品種HI0466增幅較明顯,在脅迫第3、5天時,其可溶性糖含量分別較對照提高1.53、2.97倍,而弱抗旱品種KWS9545分別僅較對照提高了0.76、1.19倍,不同抗旱品種間差異顯著。復(fù)水后2個品種葉片可溶性糖含量均呈下降恢復(fù)趨勢,但在復(fù)水2 d內(nèi)均未恢復(fù)到正常對照水平。
2.1.2 甜菜幼苗葉片可溶性蛋白含量對水分脅迫的響應(yīng) 干旱脅迫下植物常會作出增加蛋白合成量或新合成某些蛋白的適應(yīng)性調(diào)節(jié)反應(yīng),該類蛋白的產(chǎn)生與植物的干旱脅迫時間、強(qiáng)度及物種的類型、器官相關(guān)[21-25]。由圖2可知,在正常供水條件下,不同抗旱性品種甜菜葉片可溶性蛋白含量變化平穩(wěn),不同品種間不存在顯著差異。在水分脅迫處理下,不同抗旱性品種可溶性蛋白質(zhì)含量變化均表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢。在脅迫前幾天,水分脅迫誘導(dǎo)使2個供試品種可溶性蛋白質(zhì)含量均明顯升高,但抗旱性強(qiáng)的品種HI0466可溶性蛋白質(zhì)含量增幅較大,在脅迫第3天時最大值時提高為弱抗旱品種KWS9554的1.15倍,品種間差異顯著;當(dāng)脅迫持續(xù)到第5天時,可能由于脅迫程度加劇,2個品種葉片可溶性蛋白質(zhì)含量均開始下降,但是不同抗旱性品種下降幅度明顯不同,抗旱品種HI0466可維持較低的降幅而保持相對較高的可溶性蛋白質(zhì)含量,而弱抗旱品種KWS9554可溶性蛋白質(zhì)含量迅速下降至較低水平;復(fù)水2 d后可溶性蛋白質(zhì)含量均可逐步恢復(fù)到對照水平。
2.1.3 甜菜幼苗葉片游離脯氨酸含量對水分脅迫的響應(yīng) 作為植物體內(nèi)水溶性最大的氨基酸,脯氨酸一方面可降低細(xì)胞滲透勢,起到滲透調(diào)節(jié)作用,另一方面在保護(hù)大分子物質(zhì)穩(wěn)定性方面有一定作用。大量研究表明,干旱會使植物體內(nèi)游離脯氨酸大量累積。在本研究中,在正常供水條件下,不同抗旱性甜菜品種葉片脯氨酸含量維持在穩(wěn)定的低水平狀態(tài);在水分脅迫處理下,供試甜菜葉片脯氨酸含量均呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢,但增加幅度明顯不同,強(qiáng)抗旱品種HI0466增幅顯著,在脅迫第1、3、5天時分別提高到弱抗旱材料KWS9454的1.98、1.54、1.90倍,表現(xiàn)為水分脅迫下不同抗旱性品種間脯氨酸含量差異顯著;在復(fù)水后,供試材料葉片脯氨酸含量開始逐漸降低(圖3)。
2.1.4 甜菜幼苗葉片甜菜堿含量對水分脅迫的響應(yīng) 甜菜堿是植物體內(nèi)另一類理想的親和性滲透物質(zhì),在抗逆中具有滲透調(diào)節(jié)、穩(wěn)定生物大分子的作用。由圖4可知,在正常供水條件下,不同抗旱性品種甜菜葉片甜菜堿含量(干質(zhì)量)在 0.5~1.0 μmol/g范圍內(nèi)波動,變化趨勢比較穩(wěn)定。在水分脅迫下,不同品種甜菜堿含量出現(xiàn)不同程度的積累。抗旱品種HI0466在脅迫程度較輕時其葉片甜菜堿含量未出現(xiàn)及時響應(yīng),以至在脅迫第1天時其葉片甜菜堿含量仍維持在對照水平,但弱抗旱材料KWS9454略有升高。隨著脅迫的進(jìn)行,在脅迫第3~5天內(nèi),2個供試材料的葉片甜菜堿含量均表現(xiàn)為快速大量累積并達(dá)到最大值,但累積幅度差異顯著??购挡牧螲I0466的增幅明顯高于KWS9454,在脅迫第3、5天時,抗旱材料HI0466葉片甜菜堿含量分別提高到KWS9454的1.64、1.41倍,不同抗旱性品種間差異顯著。復(fù)水解除脅迫后,不同品種組織內(nèi)的甜菜堿含量開始緩慢下降,但在復(fù)水2 d后仍保持相對較高的水平,未能在短時間內(nèi)恢復(fù)到對照水平。
2.1.5 甜菜幼苗葉片K+含量對水分脅迫的響應(yīng) 作為離子滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),K+可通過調(diào)節(jié)液泡的滲透勢來維持細(xì)胞膨壓等生理過程。圖5表明,在正常供水情況下,葉片K+含量變化較平緩,品種間無明顯差異。在水分脅迫第1天時各組別K+含量無顯著變化,基本維持在對照水平。進(jìn)一步脅迫條件下,供試2個品種葉片K+含量均開始快速升高,在脅迫第5天時K+含量均達(dá)到最高值,但在整個脅迫過程中,不同品種間變化幅度接近,不同抗旱性品種間差異不顯著。復(fù)水后,各處理K+含量均快速下降并恢復(fù)到對照水平。
2.1.6 甜菜幼苗葉片水勢對水分脅迫的響應(yīng) 植物細(xì)胞的水勢對干旱等逆境脅迫較為敏感,且植物細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)作用是植物增強(qiáng)抗逆性、適應(yīng)環(huán)境的基礎(chǔ)[26]。從圖6可以看出,不同抗旱性品種在正常水分條件下水勢變化穩(wěn)定,無明顯差別;在水分脅迫條件下,2個甜菜品種水勢均呈現(xiàn)下降趨勢。在脅迫第1天時,不同抗旱性品種下降幅度相近,差異不顯著;隨著脅迫程度進(jìn)一步加大,抗旱品種HI0466水勢下降幅度增加,且2個品種間差異顯著。這可能與抗旱品種HI0466細(xì)胞內(nèi)大量滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的快速大量累積有關(guān),使其滲透勢維持在較低的水平,在脅迫第5天時葉片水勢達(dá)到最低值??购灯贩NHI0466維持較低滲透勢可避免細(xì)胞內(nèi)水分的大量流失,提高其保水能力,增強(qiáng)抗旱性。在復(fù)水2 d后,水勢均可再次快速上升并接近對照水平。
2.2.1 甜菜幼苗葉片IAA含量對水分脅迫的響應(yīng) IAA作為促進(jìn)植物生長的關(guān)鍵內(nèi)源激素,主要由植物頂端分生組織和正在生長的葉片來合成,并通過極性的方式運輸?shù)狡渌M織器官,其含量與生長的各組織之間保持一種互動的平衡反饋關(guān)系。由圖7可以看出,本研究中在正常水分條件下,不同抗旱性甜菜品種葉片IAA含量均維持穩(wěn)定,且HI0466略高于KWS9454。在水分脅迫下,抗旱材料HI0466葉片在脅迫第1天 時的IAA含量未發(fā)生明顯變化,而弱抗旱材料KWS9454葉片IAA含量顯著降低。隨著脅迫的持續(xù),不同品種葉片IAA含量均表現(xiàn)為逐漸降低,在脅迫第5天時均達(dá)到最低值,但不同抗旱性品種降低幅度明顯不同,弱抗旱材料KWS9454降低幅度顯著高于抗旱材料HI0466,在脅迫第3、5天分別較抗旱材料HI0466低20.91%、27.24%,不同抗旱性品種間葉片IAA含量差異顯著。復(fù)水2 d后不同抗旱性品種甜菜葉片IAA含量均有較大幅度的升高,HI0466基本可恢復(fù)到對照水平,但KWS9454的恢復(fù)速度較慢。
2.2.2 甜菜幼苗葉片ABA含量對水分脅迫的響應(yīng) 脫落酸參與植物對多種逆境的響應(yīng),諸多研究表明,干旱會誘導(dǎo)植物體內(nèi)源ABA的響應(yīng),引發(fā)植物的水分虧缺反應(yīng),通過調(diào)節(jié)氣孔、調(diào)整保衛(wèi)細(xì)胞離子通道、降低鈣調(diào)素蛋白的轉(zhuǎn)錄水平等方面的影響,增加逆境存活機(jī)會[27-29]。由圖8可以看出,在水分充足的條件下,不同抗旱性甜菜葉片內(nèi)ABA含量穩(wěn)定。在水分脅迫下,不同抗旱性甜菜葉片的ABA含量響應(yīng)明顯不同,其中抗旱品種HI0466的響應(yīng)迅速,在脅迫第1天時,葉片的ABA含量就快速升高。在隨后的脅迫過程中,供試品種葉片的ABA含量均出現(xiàn)不同程度的響應(yīng)增加,在脅迫第5天時,葉片ABA含量均達(dá)到最高值,但同樣表現(xiàn)出抗旱品種HI0466的響應(yīng)顯著,葉片ABA含量增加幅度較大,含量較高,在水分脅迫下,不同抗旱性品種間葉片ABA含量差異顯著。復(fù)水 2 d 后葉片ABA含量均有較大幅度的下降,并與對照水平接近。
由于不同指標(biāo)對抗旱性貢獻(xiàn)的權(quán)重各異,甜菜不同抗旱性品種在不同水分狀況下各單項生理指標(biāo)的響應(yīng)不盡相同,且各指標(biāo)間關(guān)系復(fù)雜,以單一指標(biāo)對甜菜抗旱性進(jìn)行評價結(jié)果片面,應(yīng)對其進(jìn)行綜合分析評價。利用SPSS 13.0軟件對8項生理指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,由表1可以看出,主成分分析特征值中2個成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到76.153%,具有較強(qiáng)的代表性,提取的2個主成分基本上代表了8個原始指標(biāo)的絕大部分信息。其中決定第一主成分大小的主要有脯氨酸含量、甜菜堿含量、細(xì)胞水勢3個生理指標(biāo),系數(shù)分別為0.960、0.900、-0.908,這3個指標(biāo)屬于滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng);決定第二主成分大小的主要有ABA含量,系數(shù)為0.968,該指標(biāo)屬于內(nèi)源激素調(diào)控系統(tǒng)。因此,通過主成分分析表明,在甜菜苗期,脯氨酸含量、甜菜堿含量、細(xì)胞水勢、ABA含量均可作為甜菜抗旱性的鑒定指標(biāo)。
表1各生理指標(biāo)主成分的特征向量貢獻(xiàn)率
注:“*”表示各指標(biāo)間差異顯著(P<0.05);“**”表示各指標(biāo)間差異極顯著(P<0.01)。
滲透調(diào)節(jié)是植物抵御干旱逆境的一種重要方式,也是植物在干旱脅迫下誘導(dǎo)保護(hù)性應(yīng)答的一種重要生理機(jī)制[30-31],目前已有關(guān)于多種作物的大量研究報道,出現(xiàn)2種不同的觀點,一種認(rèn)為滲透調(diào)節(jié)參與作物的抗旱,滲透調(diào)節(jié)能力較高的作物具有較強(qiáng)的抗旱性。如對高粱、小麥、玉米的研究結(jié)果表明,抗旱性強(qiáng)的品種其滲透調(diào)節(jié)能力可在干旱脅迫下維持較高的水平[32-34]。另一種則認(rèn)為滲透調(diào)節(jié)能力與作物品種抗旱性間不存在顯著相關(guān)關(guān)系,如Jones在研究高粱時發(fā)現(xiàn),水分脅迫下不同抗旱性高粱品種的滲透調(diào)節(jié)能力沒有表現(xiàn)出明顯差異[35]。本研究對抗旱性差異明顯的2個典型甜菜品種在苗期不同程度水分脅迫下其滲透調(diào)節(jié)能力變化的分析表明,甜菜苗期的滲透調(diào)節(jié)能力與其品種抗旱性強(qiáng)弱間存在相關(guān)性,抗旱能力強(qiáng)的甜菜品種其滲透調(diào)節(jié)能力也相對較強(qiáng),這與第一種研究的觀點一致。同時本試驗結(jié)果也表明,滲透調(diào)節(jié)能力在甜菜苗期的作用與脅迫程度有關(guān),在不同脅迫程度下其滲透調(diào)節(jié)能力表現(xiàn)不同。在脅迫程度較輕時,不同抗旱性甜菜滲透調(diào)節(jié)能力維持相對平緩的狀態(tài),品種間差異不顯著。隨著脅迫程度的增加,在中度甚至重度脅迫時,抗旱品種的滲透調(diào)節(jié)才出現(xiàn)顯著增強(qiáng)的趨勢。這可能由于不同品種的抗旱機(jī)制存在差異,導(dǎo)致在響應(yīng)不同干旱脅迫時其滲透調(diào)節(jié)能力存在一定的局限性。滲透能力的強(qiáng)弱主要依賴于滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的變化。滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)主要包括可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸、甜菜堿、K+、Na+等[36]。近年來國內(nèi)外諸多學(xué)者對小麥、高粱、水稻、鷹嘴豆等許多作物的研究表明,干旱脅迫下細(xì)胞內(nèi)會通過不斷累積如脯氨酸、可溶性糖、K+等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的響應(yīng),降低細(xì)胞滲透勢,提高保水能力,維持細(xì)胞膨壓,從而增強(qiáng)作物對干旱的耐受性,但不同作物在滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累方面存在一定差異[37-40]。從本研究的結(jié)果來看,在干旱脅迫下,抗旱能力強(qiáng)的甜菜苗期滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的響應(yīng)主要體現(xiàn)在脯氨酸、甜菜堿和可溶性糖的積累,進(jìn)而使甜菜細(xì)胞滲透勢維持在較低水平,有效地提高了保水能力,減少了水分的散失,提高了甜菜對水分脅迫的耐受性。其可能原因在于不同抗旱性甜菜存在不同的等位基因,在水分脅迫下控制上述滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的基因存在表達(dá)差異,造成其代謝過程和強(qiáng)度不同。
已有研究證實,植物激素對應(yīng)答水分脅迫起重要的調(diào)控作用,對外界脅迫因子的反應(yīng)極其敏感,在水分脅迫下呈現(xiàn)不同的響應(yīng)機(jī)制[41-42]。在對小麥、大麥、水稻、玉米、豌豆等的研究中發(fā)現(xiàn),干旱脅迫下ABA、IAA含量均出現(xiàn)不同程度的響應(yīng),但規(guī)律不盡一致[43-47]。本研究結(jié)果表明,干旱脅迫下抗旱甜菜品種葉片ABA含量隨脅迫程度的增加而增加,IAA含量則相反,且水分脅迫程度較大時抗旱品種增幅顯著,并在復(fù)水后可產(chǎn)生補償效應(yīng)。ABA作為“脅迫激素”,在干旱刺激下在抗旱品種內(nèi)大量合成并在地上部分累積,可能對促進(jìn)抗旱品種氣孔關(guān)閉、減少水分散失起到重要作用。當(dāng)然,植物激素在生長過程中的調(diào)控作用除了表現(xiàn)在其絕對含量外,激素間的相對平衡也非常重要??购敌詮?qiáng)的品種在水分脅迫下各激素間消長協(xié)調(diào)平衡能力較好,也可能是它們在脅迫中受抑制較小的另一原因。而有關(guān)脅迫條件下各激素間協(xié)調(diào)平衡的復(fù)雜關(guān)系及其相關(guān)機(jī)制,還應(yīng)進(jìn)一步研究。
作物的抗旱性是由多個因素交互形成的一種綜合性狀,不同抗旱生理指標(biāo)對作物干旱脅迫的響應(yīng)敏感程度不同[48-49],因此采用某種單一指標(biāo)對抗旱性進(jìn)行評價時結(jié)果將會片面單一,應(yīng)通過綜合評價方法對抗旱相關(guān)生理指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)評價才更具有實際意義。目前報道的抗旱性綜合評價方法主要有主成分分析法、隸屬函數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、聚類分析法等[50-52]。本研究通過主成分分析法對8個甜菜品種的抗旱指標(biāo)進(jìn)行了綜合評價,其中在隸屬的2個主成分中,脯氨酸含量、甜菜堿含量、細(xì)胞水勢、ABA含量對干旱脅迫最為敏感,對抗旱性的貢獻(xiàn)率也最大,可作為甜菜苗期抗旱性評價的有效參考指標(biāo)。
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國家民政局官網(wǎng)首頁主要職責(zé)第二條為:承擔(dān)依法對社會團(tuán)體、基金會、民辦非企業(yè)單位進(jìn)行登記管理和監(jiān)察責(zé)任。據(jù)《關(guān)于城鎮(zhèn)民辦非營利性醫(yī)療機(jī)構(gòu)進(jìn)行民辦非企業(yè)單位登記有關(guān)問題的通知》,民辦非營利性醫(yī)療機(jī)構(gòu)由民政部門承擔(dān)登記管理和監(jiān)察責(zé)任。進(jìn)行年檢管理,年檢方式為送審。中華人民共和國民政部令第27號《民辦非企業(yè)單位年度檢查辦法》第五條:民辦非企業(yè)單位接受年檢時應(yīng)當(dāng)提交的材料包括財務(wù)會計報告;第六條:年檢的主要內(nèi)容包括財務(wù)狀況、資金來源和保用情況;但未將提供注冊會計師審計報告作為必須報送的年檢材料之一。其相關(guān)內(nèi)設(shè)機(jī)構(gòu)及職能中未明確具體承擔(dān)相應(yīng)監(jiān)管職責(zé)的處室,僅見承擔(dān)部內(nèi)及所屬預(yù)算管理單位的財務(wù)監(jiān)管。
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