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利用高密度遺傳圖譜定位水稻耐低氧萌發(fā)QTL

時(shí)間:2023-08-26 15:35:03 來源:網(wǎng)友投稿

閆曉霞,朱滿山,王 豐,柳武革,李金華,霍 興,黃永相,劉迪林

(1.廣東海洋大學(xué)濱海農(nóng)業(yè)學(xué)院,廣東 湛江 524088;
2.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所/廣東省育種新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省水稻工程實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南優(yōu)質(zhì)稻遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510640)

【研究意義】水稻(Oryza sativaL.)是我國最重要的糧食作物之一,也是世界上近60%人口的主食[1-2]。隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展和農(nóng)村勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移,水稻機(jī)械化和輕簡化生產(chǎn)成為一種趨勢。與傳統(tǒng)的移栽模式相比,水稻直播栽培省卻了育秧和移栽環(huán)節(jié),可以節(jié)約資源和勞動(dòng)力投入,實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)[3-5]。水稻直播可分為旱直播、濕直播和淹水直播,其中淹水直播有利于控制雜草,減少鳥害和鼠害,但是對(duì)品種的淹水發(fā)芽能力要求很高[6-7]。“全苗難”是水稻直播面臨的核心問題,也是直播稻產(chǎn)量不高不穩(wěn)的首要因素[7]。因此,挖掘耐低氧萌發(fā)相關(guān)基因,培育耐低氧萌發(fā)的專用品種成為水稻直播生產(chǎn)的迫切需求。【前人研究進(jìn)展】目前已定位到一些控制水稻低氧萌發(fā)的QTL[5,8-19]。侯名語等[8]利用81 個(gè)Kinmaze//DV85 重組自交系群體檢測到5 個(gè)低氧發(fā)芽相關(guān)QTL,表型貢獻(xiàn)率為10.5%~19.6%。Jiang 等[9]利用USSR5/N22 的F2群體,檢測到2 個(gè)低氧發(fā)芽力相關(guān)QTL,表型貢獻(xiàn)率為15.51%和10.99%。王洋等[10]利用重組自交系群體檢測到6 個(gè)QTL,表型貢獻(xiàn)率在5.8%~16.2%之間。Angaji 等[5]利用Khao Hlan On/IR64 回交群體,發(fā)現(xiàn)5 個(gè)芽期耐澇性QTL,解釋17.9%~33.5%的表型變異。陳孫祿等[11]以R0380/RP2334 回交自交系群體,檢測到影響低氧萌發(fā)特性的4 個(gè)QTL,貢獻(xiàn)最大的是qGS2.2,貢獻(xiàn)率為17.34%。Septiningsih 等[12]采用IR42/馬占紅群體定位到6 個(gè)QTL,其中7 號(hào)染色體上的QTL 貢獻(xiàn)率達(dá)31.7%。Baltazar 等[13]利用IR64/Nanhi 的F2:3群體中,在7 號(hào)染色體上檢測到1 個(gè)來自Nanhi 的厭氧發(fā)芽主效QTLqAG7,解釋表型變異的22.3%。Yang 等[14]用YZX/02428 衍生的重組自交系群體,檢測到25 個(gè)與低氧發(fā)芽能力相關(guān)的QTL。Baltazar 等[15]從IR64/Kharsu 80A F2:3群體中定位到4 個(gè)與厭氧發(fā)芽相關(guān)的QTL,解釋表型變異的8.1%~12.6%。牛世朋等[16]在Asominori/IR24 重組自交系群體中檢測到3 個(gè)與中胚軸伸長相關(guān)的QTL,效應(yīng)值最大的QTL 貢獻(xiàn)率為11.07%。Ghosal 等[17]利用兩個(gè)分離群體,發(fā)現(xiàn)5 個(gè)淹水存活率相關(guān)QTL 和4 個(gè)控制苗高的QTL。張所兵等[18]采用扎西瑪/南粳46 重組自交系群體,檢測到qAG-12,表型貢獻(xiàn)率為11.24%。Liu 等[19]利用93-11 背景的片段導(dǎo)入系,發(fā)現(xiàn)兩個(gè)與胚芽鞘伸長有關(guān)的QTLqAGP1和qAGP3,貢獻(xiàn)率均達(dá)到15%。通過全基因組關(guān)聯(lián)分析,也發(fā)現(xiàn)一些和水稻低氧萌發(fā)性顯著關(guān)聯(lián)的位點(diǎn)[20-23]。例如,孫凱等[20]采用200份水稻種質(zhì)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,分別鑒定到8 個(gè)活力指數(shù)相關(guān)QTL 和15 個(gè)與胚芽鞘相關(guān)的QTL。此外,克隆了4 個(gè)低氧萌發(fā)基因[24-27]。其中,OsTPP7是首個(gè)通過正向遺傳學(xué)途徑分離的耐低氧萌發(fā)基因,通過調(diào)控海藻糖6-磷酸的代謝,增強(qiáng)水稻厭氧萌發(fā)的耐受性[24]。OsCBL10是淹水條件下低氧信號(hào)通路的負(fù)調(diào)控因子,其啟動(dòng)子序列差異決定了基因效應(yīng),在耐淹型水稻品種中OsCBL10的表達(dá)水平極低[25]。利用全基因組關(guān)聯(lián)分析鑒定到控制缺氧萌發(fā)的基因CLSY1,可能通過甲基化途徑參與低氧萌發(fā)性的調(diào)控[26]。最近,從雜草稻中克隆到控制低氧萌發(fā)出苗的關(guān)鍵基因OsGF14h,編碼一個(gè)14-3-3 蛋白,導(dǎo)入栽培稻后可以顯著提高直播萌發(fā)率和成苗率[27]。【本研究切入點(diǎn)】目前盡管在水稻耐低氧萌發(fā)基因挖掘方面取得一些進(jìn)展,但仍存在一些突出問題。一是田間表型受環(huán)境影響大,導(dǎo)致基因克隆難度大;
二是很多研究采用了SSR 和RFLP 等傳統(tǒng)低通量標(biāo)記,遺傳圖譜的標(biāo)記密度不高,導(dǎo)致QTL 定位區(qū)間較大。因此,適合育種利用的基因仍然十分缺乏,亟需挖掘更多新的芽期耐低氧基因/QTL。【擬解決的關(guān)鍵問題】針對(duì)這些問題,本研究利用外引直播稻品種Francis 和我國南方稻區(qū)大面積應(yīng)用的骨干恢復(fù)系R998 創(chuàng)制RIL 群體,構(gòu)建高密度遺傳圖譜,并在室內(nèi)可控環(huán)境下開展水稻低氧萌發(fā)相關(guān)QTL 定位,為芽期耐低氧基因克隆和分子育種提供支撐。

1.1 試驗(yàn)材料

以直播型溫帶粳稻品種Francis 為母本,多穗型優(yōu)質(zhì)恢復(fù)系R998 為父本進(jìn)行溫湯雜交,從F2代起采用單粒傳法構(gòu)建含有214 個(gè)家系的RIL 群體。

1.2 試驗(yàn)方法

2022 年4—12 月在廣東廣州市天河區(qū)廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所開展試驗(yàn)。從重組自交系群體各家系選取20 粒健康飽滿的種子,自來水沖洗3 次,放入體積為460 mL 的透明塑料杯中,杯中加入10 cm 深的滅菌水,杯口蓋上培養(yǎng)皿,在28 ℃、相對(duì)濕度75%的黑暗條件下淹水7 d,保持淹水深度不變,以此來模擬低氧萌發(fā)環(huán)境。淹水處理7 d 后,將萌發(fā)的種子取出,觀察萌發(fā)和生長情況,用直尺測量幼苗的胚芽鞘長(coleoptile length,CL)、芽長(shoot length,SL)和最大根長(root length,RL)。

1.3 遺傳圖譜構(gòu)建

采用CTAB法提取Francis、R998 及214 個(gè)家系的基因組DNA,檢測合格的DNA 樣品經(jīng)過酶切、加測序接頭、純化、PCR 擴(kuò)增等步驟完成文庫制備。構(gòu)建好的文庫通過Illumina HiSeq 測序平臺(tái)進(jìn)行測序,委托華大基因完成。測序數(shù)據(jù)根據(jù)親本間SNP 過濾后得到SNP 位點(diǎn)。采用窗口滑動(dòng)的方法,每15 個(gè)SNP 為1 個(gè)窗口,最終獲得3 106 個(gè)bin 標(biāo)記,利用MSTMap 軟件構(gòu)建重組自交系群體的高密度遺傳連鎖圖譜[28]。

1.4 水稻低氧萌發(fā)QTL 定位

整合表型數(shù)據(jù)和基因型數(shù)據(jù),采用WinQTL Cart 2.5 進(jìn)行QTL 掃描[29],檢測低氧萌發(fā)性狀相關(guān)QTL,LOD 閾值設(shè)定為2.5。QTL 的命名遵循McCouch 命名原則[30]。

2.1 雙親及群體低氧萌發(fā)表型分析

在淹水條件下發(fā)芽7 d 后,對(duì)水稻親本Francis和R998 的低氧萌發(fā)性進(jìn)行調(diào)查,測量其胚芽鞘長、芽長和最大根長。結(jié)果發(fā)現(xiàn),F(xiàn)rancis 的胚芽鞘長、芽長和最大根長的均值分別為3.03、3.40、0.74 cm,R998 的胚芽鞘長、芽長和最大根長的均值分別為1.99、2.73、0.57 cm。Francis 的胚芽鞘長度和最大根長顯著高于R998(P<0.05,圖1、表1),但兩者芽長差異不顯著。

表1 Francis/R998 RIL 群體低氧萌發(fā)表型統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of phenotype among the RIL population of Francis/R998 under hypoxia germination

圖1 Francis/R998 RIL 群體低氧萌發(fā)特性的表型分布Fig.1 Phenotypic distribution of the RIL population of Francis/R998 under hypoxia germination

在重組自交系群體中,各家系芽長和最大根長均值分別為3.90 cm 和0.62 cm,中位數(shù)分別為3.86 cm 和0.66 cm,胚芽鞘長的平均值為2.97 cm,中位數(shù)為3.31 cm,最大值為7.00 cm,最小為0.85 cm,變異系數(shù)為0.28。群體中有多個(gè)家系的胚芽鞘長度表現(xiàn)出超親現(xiàn)象。因此,F(xiàn)rancis/R998的RIL 群體各家系間在低氧萌發(fā)性上具有較大的表型變異。從表型頻率分布看,3 個(gè)表型在群體內(nèi)均呈現(xiàn)出正態(tài)分布,除了最大根長的峰度為1.46,其余的峰度和偏度絕對(duì)值都小于1,適合進(jìn)行QTL 作圖(圖1 B~D)。

2.2 水稻低氧萌發(fā)的標(biāo)記連鎖圖譜構(gòu)建

利用低倍基因組重測序數(shù)據(jù),構(gòu)建了水稻Francis/R998重組自交系群體的高密度遺傳圖譜。根據(jù)窗口滑動(dòng)的方法,得到每個(gè)家系的基因型并生成bin 圖,最后上圖的bin 標(biāo)記總數(shù)為3 106 個(gè),其中12 號(hào)染色體標(biāo)記數(shù)最少,1號(hào)染色體標(biāo)記數(shù)最多,分別為174 個(gè)和389 個(gè);
總圖距3 646.2 cM,4 號(hào)染色體遺傳圖距最長,而9 號(hào)染色體最短,分別為399.6 cM 和220.8 cM(圖2)。整張遺傳圖譜的標(biāo)記平均圖距為1.21 cM,平均圖距范圍是0.68~1.84 cM,大于5 cM的Gap比例為0.36%。因此,構(gòu)建的遺傳圖譜標(biāo)記密度均勻,圖譜質(zhì)量較好,完全滿足QTL 定位的要求。

圖2 Francis/R998 RIL 群體耐低氧萌發(fā)性QTL 的染色體位置Fig.2 Chromosome locations of hypoxia germinationrelated QTLs in the RIL population of Francis/R998

2.3 水稻低氧萌發(fā)QTL 定位

利用軟件WinQTL Cart 2.5 的ICM 法對(duì)水稻低氧萌發(fā)表型進(jìn)行QTL 掃描。結(jié)果表明,在淹水條件下共檢測到6 個(gè)與低氧萌發(fā)相關(guān)的QTL(表2、圖2)。控制胚芽鞘長的QTL 有3 個(gè)(圖3),其中qCL1位于1 號(hào)染色體標(biāo)記區(qū)間bin364~bin369,LOD 值為2.62,貢獻(xiàn)率為5.05%,加性效應(yīng)-0.43;
qCL9位于9 號(hào)染色體標(biāo)記區(qū)間bin79~bin83,LOD 值為6.67,貢獻(xiàn)率為13.39%,加性效應(yīng)0.69;
qCL12位于12 號(hào)染色體標(biāo)記區(qū)間bin41~bin45,LOD 值為2.76,貢獻(xiàn)率為4.93%,加性效應(yīng)-0.43。qCL9的表型貢獻(xiàn)率大于10%,是一個(gè)主效位點(diǎn)。qCL1和qCL12的加性效應(yīng)是負(fù)值,表明增效等位基因均來自R998;
qCL9加性效應(yīng)為正值,表明增效等位基因來自Francis。

表2 Francis/R998 RIL 群體中檢測到的耐低氧萌發(fā)性QTLTable 2 QTLs for hypoxia germination tolerance detected in the RIL population of Francis/R998

圖3 Francis/R998 RIL 群體低氧萌發(fā)胚芽鞘長度的 QTL 掃描峰圖Fig.3 QTLs peak of coleoptile length under hypoxia germination in the RIL population of Francis/R998

控制芽長的QTL 只有1 個(gè),即位于5 號(hào)染色體上的qSL5,LOD 值為5.00,標(biāo)記區(qū)間位于染色體上bin169~bin173,貢獻(xiàn)率為10.78%,加性效應(yīng)為-0.85。該位點(diǎn)的表型貢獻(xiàn)率大于10%,也是主效位點(diǎn),加性效應(yīng)分析表明,增效等位基因來自R998。

控制根長的QTL 有2 個(gè),均位于2 號(hào)染色體上,命名為qRL2-1、qRL2-2,LOD 值分別為3.31和2.84,位于2 號(hào)染色體標(biāo)記區(qū)間bin261~bin267和bin202~bin210,貢獻(xiàn)率分別為6.42%、6.47%,加性效應(yīng)分別為-0.20、0.19。值得注意的是,這兩個(gè)QTL 的效應(yīng)值相當(dāng)、作用方向相反,qRL2-1的加性效應(yīng)是負(fù)值,表明增效等位基因來自R998,qRL2-2的加性效應(yīng)是正值,增效等位基因來自Francis。

2.4 低氧萌發(fā)QTL 中候選基因篩選

從定位到的QTL 中,我們選取效應(yīng)值最大的兩個(gè)位點(diǎn)qCL9和qSL5作進(jìn)一步分析,在目標(biāo)區(qū)間上下游500 kb 范圍內(nèi)篩選可能的候選基因。其中胚芽鞘長位點(diǎn)qCL9位于9 號(hào)染色體12.63~13.04 Mb 范圍,距該區(qū)間上游約400 kb 的12.25 Mb 處存在1 個(gè)已克隆基因OsTPP7,該基因編碼1 個(gè)海藻糖-6-磷酸磷酸酶,也是首個(gè)通過圖位克隆分離到的低氧萌發(fā)條件下控制胚芽鞘伸長的基因[24]。因此,OsTPP7可能是胚芽鞘長相關(guān)位點(diǎn)qCL9的候選基因。此外,從已有的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中,在芽長位點(diǎn)qSL5區(qū)間發(fā)現(xiàn)對(duì)淹水脅迫具有響應(yīng)的9 個(gè)基因,其中3 個(gè)下調(diào),6 個(gè)上調(diào)(表3)。

表3 qSL5 位點(diǎn)的可能候選基因Table 3 Potential candidate genes for the locus qSL5

從功能相關(guān)性看,最緊密的是LOC_Os05g 39580和LOC_Os05g39990,LOC_Os05g39580可能為ABA 受體,主要影響種子萌發(fā)和幼苗早期生長,LOC_Os05g39990 則編碼一個(gè)擴(kuò)展蛋白,過表達(dá)植株會(huì)促進(jìn)胚芽鞘和中胚軸的伸長[33,36]。其余7 個(gè)基因分別編碼鋅鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、氧化還原酶、VHS/GAT 結(jié)構(gòu)域蛋白、轉(zhuǎn)氨酶、NFD4 蛋白、OVATE 家族蛋白和LTP 家族蛋白(表3)。

隨著農(nóng)村勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移和農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步,水稻生產(chǎn)方式正在發(fā)生重大變遷,機(jī)械化和輕簡化生產(chǎn)勢在必行,其中淹水直播是水稻輕簡化生產(chǎn)的重要發(fā)展方向,不但具有省工、省時(shí)和高效等優(yōu)勢,還具有防草防鳥防鼠的功效,是南方地區(qū)理想的直播生產(chǎn)方式。在直播稻生產(chǎn)中,淹水帶來的低氧條件下,水稻種子萌發(fā)和出苗受到影響,顯著降低水稻的成苗率。低氧萌發(fā)成苗能力強(qiáng)的專用品種缺乏,成為影響直播稻發(fā)展的瓶頸。因此,加快淹水直播專用品種的培育,亟需對(duì)水稻芽期耐低氧萌發(fā)性基因和QTL 進(jìn)行挖掘,為分子育種提供更多的有利基因資源。在芽期耐低氧萌發(fā)QTL 研究中,材料的選擇十分關(guān)鍵。本研究采用的RIL 群體材料衍生自親本Francis 和R998,其中F rancis 是國外的直播型溫帶粳稻品種,R998 是我國南方稻區(qū)大面積應(yīng)用的優(yōu)質(zhì)多穗型恢復(fù)系,二者具有豐富的遺傳差異,且在低氧萌發(fā)方面有顯著差異,是開展耐低氧萌發(fā)QTL 研究的理想材料。

前人研究表明,水稻種子在低氧條件下萌發(fā)時(shí),根和葉的生長受到抑制,但是胚芽鞘可以快速伸長到達(dá)有氧環(huán)境,為根和葉的生長提供足夠氧氣。一般認(rèn)為,耐低氧萌發(fā)的水稻品種胚芽鞘伸長能力比不耐低氧萌發(fā)的品種強(qiáng)。在耐低氧萌發(fā)性的衡量指標(biāo)方面,以往的研究普遍采用低氧條件下萌發(fā)的芽長[8]、胚芽鞘長[10]、缺氧反應(yīng)指數(shù)[37]、淹水成苗率[38]等。本研究則采用淹水暗培養(yǎng)7 d 的芽長、胚芽鞘長和最大根長作為衡量指標(biāo)。侯名語等[8]從秈粳分化角度比較,認(rèn)為水稻品種的低氧發(fā)芽力存在秈粳差異,粳稻的低氧發(fā)芽力一般比秈稻強(qiáng)。類似地,Rauf 等[39]比較了來自6 個(gè)水稻亞群的185 份水稻材料,發(fā)現(xiàn)低氧萌發(fā)條件下粳稻的發(fā)芽率和胚芽鞘長度整體優(yōu)于其他亞群,溫帶粳稻的平均胚芽鞘長最大。本研究中采用的溫帶粳稻Francis 胚芽鞘伸長能力顯著好于秈稻R998。因此,從粳稻中篩選耐低氧萌發(fā)的種質(zhì),值得引起重視。

前人多項(xiàng)研究表明,水稻低氧萌發(fā)性是多基因控制的數(shù)量性狀[8-15]。本研究采用高密度遺傳圖譜,定位到6 個(gè)低氧萌發(fā)相關(guān)的QTL。其中有3 個(gè)QTL 與前人結(jié)果處于相同或相近位置,如9號(hào)染色體上的胚芽鞘長度QTLqCL9(物理位置:12.63~13.04 Mb),與已克隆的OsTPP7位置臨近(12.25 Mb 處)[24]。盡管二者是否由同一基因控制還需確認(rèn),但是這類在不同研究中重復(fù)鑒定、效應(yīng)穩(wěn)定的QTL,在耐低氧遺傳機(jī)制和育種應(yīng)用中均有較大價(jià)值。

2 號(hào)染色體上控制根長的QTLqRL2-1(物理位置:30.38~30.63 Mb),與Septiningsih 等[12]檢測到的淹水發(fā)芽QTLqAG2臨近(29.9 Mb 處);
2 號(hào)染色體上控制根長的QTLqRL2-2,位于25.78~26.09 Mb 區(qū)間,與控制淹水成苗率的qSES2存在區(qū)間重疊(24.04~26.5 Mb)[31],它們可能是相同的QTL。

此外,本研究定位到的QTL 有3 個(gè)暫未見報(bào)道。胚芽鞘長度QT LqCL1和qCL12,分別位于1 號(hào)染色體41.55~42.02 Mb 和12 號(hào)染色體36.06~37.09 Mb 區(qū)間;
芽長QTLqSL5,位于5 號(hào)染色體23.18~23.59 Mb 區(qū)間,這3 個(gè)位點(diǎn)附近暫未見低氧萌發(fā)相關(guān)QTL 的報(bào)道,可能是控制低氧萌發(fā)性的新位點(diǎn)。在qSL5區(qū)間篩選到9 個(gè)可能的候選基因,其中LOC_Os05g39580和LOC_Os05g39990可能性最大。LOC_Os05g39580是潛在的ABA 受體;
LOC_Os05g39990編碼一個(gè)擴(kuò)展蛋白,過表達(dá)植株會(huì)促進(jìn)胚芽鞘和中胚軸的伸長[33,36]。

不同水稻品種的低氧萌發(fā)能力不同。從品種選育角度看,耐低氧萌發(fā)QTL 位點(diǎn)的發(fā)掘?qū)τ谀偷脱趺劝l(fā)水稻品種的定向培育具有重要意義。一般認(rèn)為,貢獻(xiàn)率在10%以上的主效QTL 具有應(yīng)用價(jià)值。前人克隆的OsTPP7已經(jīng)用于直播稻品種的改良,定向?qū)朐耘嗟酒贩N后,耐低氧萌發(fā)能力有不同程度的提升[40]。本研究定位的QTL中效應(yīng)值最大的是胚芽鞘位點(diǎn)qCL9和芽長位點(diǎn)qSL5,效應(yīng)值均在10%以上,增效等位基因分別來自Francis 和R998,在育種中可以利用分子標(biāo)記進(jìn)行前景選擇將二者進(jìn)行聚合,創(chuàng)制耐低氧萌發(fā)能力顯著提升的新種質(zhì)。此外,良好的低溫發(fā)芽力也是直播品種所需的關(guān)鍵性狀[41-42],本研究下一步也將采用該群體進(jìn)行低溫發(fā)芽性狀的遺傳分析。

淹水直播是水稻生產(chǎn)的重要發(fā)展方向。然而,低氧萌發(fā)性強(qiáng)的專用品種缺乏,成為影響直播稻發(fā)展的瓶頸。加快淹水直播專用品種的培育,亟需對(duì)水稻耐低氧萌發(fā)性基因和QTL 進(jìn)行挖掘。本研究以Francis 和R998 衍生的重組自交系群體為材料,檢測到6 個(gè)低氧萌發(fā)相關(guān)的QTL,其中3個(gè)可能是新位點(diǎn)。兩個(gè)主效QTLqCL9和qSL5貢獻(xiàn)率均大于10%,在分子育種中具有應(yīng)用潛力,胚芽鞘長度QTLqCL9的增效等位基因來自外來種質(zhì)Francis,芽長QTLqSL5的增效等位基因來自骨干恢復(fù)系R998,在分子育種中可將這些位點(diǎn)通過雜交、回交和分子標(biāo)記輔助選擇導(dǎo)入新品系中,提高水稻品種的耐低氧萌發(fā)能力。在qSL5區(qū)間篩選到9 個(gè)候選基因,可進(jìn)一步鑒定這些候選基因的表達(dá)和功能,為解析水稻淹水直播機(jī)制奠定基礎(chǔ),為培育直播稻新品種提供新的基因資源。

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