摘要：番茄抗旱性是由许多微效基因座和数百个影响干旱形态和生理反应的基因控制的，阐明番茄抗旱的分子机制、开发分子标记辅助选择将有助于加速培育具有抗旱性的番茄新品种。本文概述了番茄抗旱分子机制的研究进展、番茄在干旱条件下的形态特征变化和抗旱育种，重点阐述了番茄抗旱性基因工程改良方面的研究进展，为进一步应用现代生物技术进行植物抗旱性基因工程改良和分子标记辅助选择育种提供方法和思路。
中国人口众多，农业生产所用的淡水资源十分匮乏，人均仅有 2200m³ ，是全球人均淡水资源 最贫乏的国家之一。干旱缺水在众多非生物胁迫中是最具破坏性的，同时也是限制作物产量和品质的一个重要影响因素。其中生殖生长期受干旱影响最大， 在生殖阶段干旱胁迫可以直接导致作物的产量损失大50%。
干旱胁迫通常伴随着热胁迫或其他胁迫，植物使用多种策略来响应干旱胁迫并且通过多种信号级联和渗透调节等形态和生理改变以适应干旱。 Levitt认为，植物适应干旱的机理可分为避旱、御旱和耐旱，并且将御旱性和耐旱性统称为抗旱性。避旱即植物在干旱来临之前加速发芽，缩短生命周期以避免干旱胁迫；御旱即植物在干旱初期，胁迫尚不严重时，通过改变地上部和根系性状以减少水分损失，维持较高的水势，以应对干旱胁迫；耐旱即植物演变出一系列的缓解机制如积累渗透保护剂，防止细胞内水分散失；产生胁迫感应信号，抗氧化剂和活性氧（ROS）清除剂；降低光合酶活性以降低光合作用等生理生化反应，在严重干旱胁迫下维持细胞结构的稳定性。尽管已经有一些策略能够提高植物的抗旱性，但由于抗旱性状的生理和遗传复杂性，在改善抗旱性或开发抗旱品种方面进展缓慢。
番茄是全世界栽培最广泛的蔬菜作物之一，全球番茄产量达到1.6 亿t，其中超过30%产自中国；同时，番茄也是植物科学研究的重要模式植物之一。番茄原产地在南美洲热带地区，属于需水量较多的一种蔬菜作物，环境胁迫中干旱胁迫是限制番茄产量和品质的主要制约因素。 因此选育抗旱性强的番茄品种是重要的育种目标。 目前，主要通过常规育种、生物技术或两者结合的方法改良植物的抗旱性。近年来，诸多学者围绕着 番茄抗旱性做了大量颇具价值的研究工作，为番茄抗旱性的改良奠定了基础。
1、干旱对番茄形态特征的影响
1.1干旱对番茄根系的影响
根系发育直接受环境因素的影响，拥有一个健壮的根系对于提高作物的抗旱性非常重要。最具代表性的智利番茄生长在世界上最干旱的地区，其发达的根系能够促进植株吸收深层土壤的水分。。Champoux 等认为，水稻根系厚度、根系表面积、每分蘖根干质量、最大根深度和根 / 茎比均与田间抗旱性呈正相关。杨再强等发现，在干旱胁迫时土壤中番茄的浅层根系会减少，根系深扎、根表面积增加， 然而随着干旱胁迫的加剧，植物正常的生长机制遭到破坏，导致根长、根表面积和根尖数等降低，根系的正常生长受到显著抑制。
1.2干旱对番茄叶片的影响
水分胁迫或其他逆境信号会诱导多种离子进出保卫细胞，造成保卫细胞内成分发生变化，从而导致保卫细胞形态改变，造成气孔关闭、卷叶、植物的蒸腾速率降低，与植物抗旱性有关的叶片性状包括叶片形状（卷叶）、角质层、气孔密度、气孔孔径、 叶片渗透调节等。
Kadioglua等发现，水稻、玉米、小麦和高粱等作物的叶片适度卷曲可以改变植物叶片结构，增强光合作用，通过减少水分蒸发流失延迟衰老并增加冠层光透射。当干旱胁迫严重时，通过诱导并加速植物叶片的衰老来减少绿叶面积，从而减少蒸腾和水分的消耗。但是在作物生产中，干旱胁迫引起的叶片衰老，导致干旱解除后作物冠层面积的减少和光合同化能力的降低，进而引起整株早衰并最终导致作物产量和品质的下降。
气孔在控制植物蒸腾失水、降低叶片表面的高温、吸收 CO2 进行光合作用以及促进植物生长方面扮演着极其重要的角色。番茄气孔大部分集中于叶片下表皮，叶片下表皮的气孔密度远远大于上表皮；随着土壤水分亏缺强度的增加，叶片上表皮气孔密度逐渐增大，而下表皮气孔密度呈现先减小后增大的趋势。潘那利番茄叶片表皮具有较多气孔， 可吸收和利用空气中的水分，并且叶片上有丰富的蜡质，可以降低干旱情况下的水分丧失，对干旱胁迫具有明显的耐受性。
2、番茄抗旱性育种的研究进展
种质资源是育种的基础。由于番茄是一种严格的自花授粉植物，经过长期的驯化和选育，番茄的遗传背景逐渐变窄。因此，通过广泛的育种策略丰富番茄的种质资源对番茄育种极其重要。研究人员正努力通过常规育种技术、分子辅助育种和转基因技术等育种方法获得抗旱性强的番茄品种。
2.1 番茄抗旱性基因工程改良研究进展
转基因技术能够打破物种界限、克服生殖障碍，把重要的抗旱基因整合到品种中，能够快速、 有效地改良作物的抗旱性。植物为了适应干旱胁迫，进化出多个调节不同干旱响应基因的互作信号传递链，这些干旱响应基因用于产生在干旱条件下起作用以增强植物抗性的蛋白质，如转录因子、酶、分子伴侣和其他功能性蛋白等。目前，已经有很多基因通过超量或抑制表达来检测基因在植物抗旱中的作用，并且取得了很大的进展，这些在抗旱中有功能的基因不但可以直接改良植物的抗旱性，也可以开发标记，为分子标记辅助选择育种奠定基础。
2.1.1 抗旱相关转录因子
植物碱性亮氨酸拉链蛋白、干旱响应元件结合蛋白（DREB）、NAC 和锌指（Zinc finger）蛋白等编码多种TF家族成员，能够提高植物抗旱性，这些TF基因的异位表达或抑制可能激活多种胁迫耐旱机制。
植物的 bZIP 转录因子能通过参与脱落酸（ABA）信号转导途径，调控植物对干旱胁迫的反应。Orellana 等研究 SlAREB1 在番茄中的功能作用时，将 SlAREB1 基因在番茄中超量表达， 转基因番茄植株显著提高了对干旱和高盐胁迫的耐受性，同时大规模基因表达分析显示SlAREB1能够上调与高盐、干旱和氧化应激相关基因的表达。
一些 DREB/CBF基因在ABA独立的干旱响应过程中起重要作用，并且通过分离和鉴定该家族的很多成员发现，它们能够改良植物的抗旱性。首先在拟南芥中发现 DREB（包括两个亚类：DREB1 和 DREB2）在干旱胁迫中起作用。 将拟南芥的AtCBF1转录因子在 rd29A 启动子的控制下，在番茄中异源表达，能够显著提高转基因番茄植株对干旱胁迫的耐受性，并且植株正常生长。然而研究发现，当SIDREB基因在番茄中超量表达时，由于合成赤霉素的关键基因下调表达，导致转基因番茄叶片扩大和节间伸长受到限制，从而造成矮小的表型，由此提高了转基因番茄的抗旱性。
NAC由 NAM、ATAF 和 CUC组成，属于植物特有的TF家族，番茄中共有102条 NAC 蛋白，这个家族的部分基因参与植株对病原体、病毒感染和环境刺激的反应。Liu 等研究发现，将NAC转录因子SlSRN1沉默能够增加转基因番茄对生物胁迫的敏感性，如因灰葡萄孢菌、丁香假单胞菌而感染疾病，但会提高转基因番茄对氧化、高盐、干旱胁迫的耐受性。SlNAC4 调控干旱和高盐的相关基因表达，在番茄抗旱过程中起着很重要的作用。由此，NAC 蛋白可以作为功能基因资源，用于改善植物对生物和非生物胁迫的耐受性。
其他转录因子，如乙烯响应因子不仅能够促进植物种子萌发、果实成熟、器官脱落、病原体反应和衰老，还能够参与植物胁迫反应； 并且其他研究还证明， ERF 的 TF 家族参与植物胁迫反应。Klay 等研究发现，属于番茄ERF家族的转录因子Sl-ERF.B.3基因在干旱以及盐分胁迫下被下调表达，但有趣的是低温、高温胁迫会诱导其表达。超量表达 1 个番茄的 WRKY 转录因子SlWRKY39，显著提高了番茄的抗旱能力。 番茄的 1 个 SR/CAMTA 转录因子 SlSR1 和 SlSR3L 负向调控番茄的抗病能力，但是正向调控番茄的抗旱性。
2.1.2 氧化调控相关基因
活性氧（ROS）会导致脂质过氧化、蛋白质和核酸的变性等，可通过抑制ROS积累以减轻干旱胁迫，ROS 的清除是由一系列酶和非酶抗氧化剂以及有机化合物完成的。
过氧化氢酶（CAT）是一种抗氧化酶，属于 ROS 清除剂，负责将 H2O2 分解成水和氧气，以维持植株体内活性氧的平衡。将源自大肠杆菌的过氧化氢酶（catE）基因引入番茄的叶绿体后，转基因株系对过氧化氢具有更高的亲和性，并且转基因番茄中 catE 基因过表达不仅能够提高因冷胁迫或干旱胁迫而引起的氧化损伤的耐受性，还能够提高由除草剂百草枯引起的氧化应激的耐受性。
在高等植物中，超氧化物歧化酶（SOD）作为抗氧化酶和ROS的清除剂，负责催化超氧自由基产生的O2和H2O2。在植物细胞中根据酶的活性位点上具有不同的金属（Fe2+、Mn2+ 和 Cu2+），以及它们在亚细胞定位中不同的位置（细胞质、线粒体、 过氧化物酶体和叶绿体），将其分为几种 SOD 异构体。如 MnSOD 基因在番茄植株中的过表达能提高对高盐和干旱胁迫的抗性，且降低了电解质的渗透率，这意味着 MnSOD 能够降低活性氧对转基因番茄的损伤。
葡萄糖 -6- 磷酸脱氢酶（G6PDH）在戊糖磷酸途径中首先氧化葡萄糖-6- 磷酸（G6P），是该反应的限速酶，并且能够产生大量的NADPH。G6PDH 活性增强能够为抗氧化系统提供 NADPH， 以去除过量的 ROS，保护细胞膜的稳定性。G6PDH启动子中具有不同的ABA响应元件，其表达部分是由于ABA的诱导。G6PDH 在干旱条件下与 ABA 合成 相关的NCED，ABA信号转导因子PP2C，参与脯氨酸合成的P5CS，参与 ROS清除的抗坏血酸过氧化物酶（APX）等其他干旱相关基因均在番茄的应激反应中呈现显著上调和活性增强，并且在干旱条件下呈现持续增长的状态。综上所述，干旱诱导 ABA 合成和信号传导，特异性激活ABA应答基因，G6PDH 则被特异地诱导，以此满足清除系统（例如 APX）增加引起的增加还原剂的需求，从而调节和稳定 ROS 的增量，进而提高了植物的抗旱性。
2.1.3信号传导相关基因
当细胞壁首先感知非生物胁迫后会激活涉及不同胁迫基因的信号转导。转录后蛋白修饰如蛋白磷酸化/去磷酸化，蛋白降解/修饰和第二信使的感应如 Ca2+，它们在胁迫信号传导和调节中发挥重要作用。一些TF和干旱响应蛋白需要通过被磷酸化/去磷酸化或修饰等翻译后调节以获得活性，例如编码丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）、编码 CIPK 蛋白激酶的基因、编码钙依赖蛋白激酶（CDPK 或 CPK）和编码蔗糖非酵解型蛋白激酶钙依赖蛋白激酶（SnRK）等的基因都在干旱胁迫信号传导和调节途径中起作用。MAPK 在耐受胁迫相关的信号网络中起关键作用。将植物暴露于各种非生物胁迫条件下时，MAPK 参与 ABA 的调节过程，Li 等使用VIGS 方法发现 SpMPK1、SpMPK2 和 SpMPK3 基因通过影响ABA-H2O2途径影响 H2O2 的产生和气孔的运动来增强番茄的耐旱性。超表达 SlMPK7 的转基因番茄会积累较少的 ROS、更多的脯氨酸和可溶性糖以及诱导胁迫响应基因表达，提高转基因番茄对非生物胁迫的耐受性。CIPK 和 CDPK 是两种类型的 Ca2+- 敏感蛋 白激酶，据报道 MdSOS2L1（源自苹果的 CIPK 激酶）能够增加番茄和苹果中抗氧化代谢物的水平。SnRK 是广泛存在于植物中的一类 Ser/Thr 类蛋白激酶，在植物抗逆生理过程中具有重要的作用，例如在番茄中抑制表达 SlSnRK2.1、SlSnRK2.2 显著提高了转基因番茄对渗透胁迫的耐受性以及对氧化胁迫的耐受性，番茄的耐盐性和耐旱性明显增强。
2.1.4水通道蛋白
水通道蛋白（AQP） 能够在非生物胁迫条件下引起植物的防御机制，近年来对于该机制的研究越来越受到人们的重视， 这些内在的膜蛋白在植物中作为二氧化碳和水通 道而起作用。AQP 在水分利用效率（WUE）和植物水分平衡中起关键作用。然而，在AQP 作用机制方面，目前有两种对立的观点：一种观点认为，植物在脱水过程中通过下调 AQP 来避免水分过多损失，将超量表达的 PIP1；4 和 PIP2；5 基因转入烟草和拟南芥中，在适宜的生长条件下，转基因烟草和拟南芥生长速率和水分运输效率没有明显的差别；然而，在干旱条件下， 超表达该基因的烟草和拟南芥表现出快速的水分损失，导致种子萌发和幼苗生长受到抑制。另一种观点认为，AQP 水平的增加可能为植物提供额外的能力来应对缺水。Li 等观察到干旱条件下 SlPIP2；1、SlPIP2；7 和 SlPIP2；5（AQP 基因）在番茄的根中具有较高的表达量，随后将超量表达的 SlPIP2；1、SlPIP2；7 和 SlPIP2；5 基因转入番茄和拟南芥中，发现转基因番茄和拟南芥在干旱胁迫下能维持较高水分利用效率和存活率；Sade 等（2010）也发现来自烟草的 NtAQP1 基因在番茄中过表达，在盐胁迫条件下转基因番茄会改善净光合作用、气孔导度和整株植物 蒸腾。总的来说，在干旱胁迫条件下水通道蛋白介导的水分运输对提高番茄抗旱性具有重要意义。
2.1.5 胚胎晚期富集蛋白（LEA 蛋白）
当外界环境出现干旱和渗透胁迫时，植株会产生大量LEA蛋白，LEA蛋白能够防止细胞膜渗漏，维持细胞膜和蛋白质的稳定，保护细胞结构，维持水分平衡和离子螯合等作用，根据氨基酸序列将LEA蛋白质分类，脱水蛋白（DHNs）属于其中之一。Liu 等研究发现，番茄中ShDHN 基因的表达受到非生物胁迫如渗透盐、干旱胁迫的调控。ShDHN 在番茄中超量表达能显著提高对上述非生物胁迫的耐受性，与野生番茄相比，转基因番茄在干旱条件下具有较高的相对含水量和较低的水分损失率。Muñoz-Mayor 等（2012） 研究表明，在正常生长条件下该基因的组成型表达不会影响植物的生长发育。
2.1.6渗透调节相关基因
为了应对干旱胁迫条件下的脱水应激反应，植物细胞通过生理调节，提高应激相关基因的表达，形成多种多样的低分子量代谢物，特别是渗透调节物和蛋白质，这些物质能够调整植株内部渗透势，从而使植株保持与环境相同的水势。这些渗透剂包括海藻糖、甘露醇、脯氨酸等，其大量积累可能有助于维持渗透势、离子平衡、膜完整性和氧自由基水平，并有助于保护染色质。
甘露醇是许多藻类和高等植物的主要光合产物，主要通过渗透调节增强对水分胁迫的耐受性。据报道，将大肠杆菌的mt1D基因在 CaMV35S启动子控制下，在番茄中超量表达后，甘露醇的含量在转基因番茄中增加，进而增强了番茄对冷、干旱和盐胁迫的抗性。
海藻糖是一种二糖分子，普遍存在于各种各样的生物群体中，是一种有效的“渗透保护剂”。 在胁迫条件下，将酵母或大肠杆菌的海藻糖-6-磷酸合成酶（TPS）和海藻糖-6-磷酸磷酸酶（TPP）基因在烟草和拟南芥中组成型过表达，能够提高转基因植物对非生物胁迫的耐受性。过表达酵母中的ScTPS1基因的番茄植株比对照植株更耐受干旱、盐和氧化胁迫，它们的形态也会发生一些变化，其中包括僵硬的深绿色叶子，竖立、厚的枝条和异常的根系发育。此外， 转基因番茄叶片的叶绿素含量和淀粉含量高于对照。植物形态的不良变化可能是由于中间代谢产物海藻糖 -6- 磷酸的 积累造成的。为了减少中间代谢产物海藻糖 -6- 磷 酸在植物细胞中的积累，研究人员将大肠杆菌 TPS 和 TPP 基因重组融合形成 TPSP 在番茄中表达，转基因番茄在叶中积累了更高水平的海藻糖，并且在盐胁迫条件下表现出比野生型植株更强的干旱、高盐耐受性和光合速率，所有转基因植株均具有正常的生长模式和外观。
2.1.7 多胺（PA）合成相关基因
在植物中，多胺不仅参与对环境胁迫的响应，而且在许多其他生理过程中如果实成熟、叶片衰老等过程中发挥关键的作用。PA主要包括二胺腐胺（Put）、三胺亚精胺（Spd）和四胺精胺（Spm）， 是普遍存在于生物体中的低分子有机阳离子。在过去几年中，通过遗传学、转录组学和代谢组学方法已经揭示了不同 PA在非生物胁迫耐受性调控中的 关键功能。然而，关于PA控制植物对胁迫刺激反应的精确分子机制仍然是未知的。
有研究认为在生理 pH 条件下，多胺以多聚阳离子状态存在，该性质有助于改善离子平衡和抗氧化性，因此超量表达多胺生物合成基因在提高植物对胁迫的耐受性中具有重要作用。产生更多的多胺将有助于多胺与阴离子（如 DNA、RNA、蛋白 质和脂质膜）有更多的机会相互作用，以提高植物对非生物胁迫的耐受性。如 Bruggemann 等发现多胺在全细胞和单通道水平上以电荷依赖性方式阻断快速激活的空泡阳离子通道，以堵塞离子通道，响应非生物胁迫。
另一方面，超量表达多胺生物合成基因可能会促进转基因植株胁迫相关基因的转录，从而促进更多保护化合物的合成。例如，超量表达 SAMDC 基因会诱导多种抗氧化酶 mRNA 的表达，如抗坏血酸过氧化物酶、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽S- 转移酶。在高等植物中，Put 是由鸟氨酸通过鸟氨酸脱羧酶（ODC）脱羧形成，或在间接途径中精氨酸通过精氨酸脱羧酶（ADC）脱羧形成。PA 生物合成由一系列催化步骤形成，但在胁迫条件下由 ADC 介导的合成途径在PA的累积中起重要作用。据报道，PtADC 超量表达的转基因番茄品系具有较强的抗脱水和抗旱能力，并且在逆境胁迫下通过降低 ROS 来行使其功能。Cuevas 等（2008）发现 SAMDC1 的过表达导致 Spm 水平升高，同时会诱导 NCED3 （参与 ABA 生物合成的关键酶）基因的表达，引起ABA水平升高，提高植物对非生物胁迫的耐受性。以上结果表明，多胺生物合成基因的转基因方法可能是改善作物对恶劣环境耐受性的一种良好策略。
2.1.8 转录后调控相关基因
Hu 和 Xiong研究表明，转录后调控，例如前体mRNA的加工、 mRNA 的稳定性、mRNA 从核内的运出和翻译、甲基化、磷酸化、泛素化等在植物抗旱中有重要作用。 最近几年在番茄抗旱方面也有一定的进展。通过深度测序，发现番茄小 RNA（miRNA），如 miR160、 miR165、miR166、miR171、miR398、miR408、 miR827、miR9472、miR9476 和 miR9552 调控干旱相关基因的表达。番茄中RNA 相关的 DNA 甲基化（RdDM）基因 SlAGO4A 也表明其在番茄抗旱的过程中具有重要的作用。此外，将番茄的泛素E3 连接酶在烟草中超量表达，显著提高了烟草的抗旱性。
2.2 番茄抗旱性常规育种的研究进展
番茄抗旱性的常规育种主要采用大规模回交策略获得集亲本优良性状于一体的新品种，获得超越亲本的杂交后代或者由基因互作产生亲本不具备的新性状类型，开发具有改良抗旱性和具有高产潜力的新品种。许多研究表明，野生番茄及其近缘野生种中含有丰富的耐旱基因，将这些携带优良耐旱基因的野生番茄与普通栽培种番茄杂交，可以将双亲的优良性状整合到 一起，从而育成耐旱性强的番茄材料或新品种。 例如耐旱野生番茄S. pennellii 和普通栽培种番茄 S. lycopersicum cv.M82 进行杂交，杂交后代与 M82进行回交，在干旱条件下后代的产量显著高于亲本。
由于常规育种是通过植株的表型性状来推测抗旱性的基因型，而抗旱性是由多个小的微效基因座控制，且遗传多样性，遗传力低，抗旱性相关性状的基因型-环境相互作用水平较高，所以番茄抗旱育种中常规育种的进展仍然相当缓慢。随着现代生物技术的迅速发展，人们开始利用分子生物学手段进行植物抗旱性分子改良研究。在利用基因工程改 良番茄抗旱性的同时，分子标记辅助选择（MAS）技术也应用到改良作物抗旱育种实践中。采用MAS技术能够追踪调控抗旱性状的遗传位点，免去多年的大量田间测试工作，提高选择效率，同时高分辨率的遗传图谱和物理图谱建成之后，就可以通过图位克隆技术分离抗旱相关基因，研究抗旱基因的功能。同样，标记辅助回交（MABC）的策略可以将抗旱供体基因型的主要数量性状基因座（QTL）渗入高产但不抗旱或干旱敏感的受体亲本中，以提高植物的抗旱性。
3、展望
番茄营养丰富，风味独特，深受人们的喜爱。 近年来我国番茄栽培面积不断增加，尤其是设施栽培。但是农业水资源匮乏是限制番茄生产的重要因素之一，因此，科学合理地进行番茄生产是众多研究人员的目标。
在自然条件下，干旱胁迫的时节、强度和持续时间是高度动态和不可预测的，这使得抗旱性研究复杂化。因此，如果条件允许，在评估抗旱时应与其他主要的非生物胁迫如高温和高盐联系起来，因 为干旱胁迫经常伴随高温胁迫的发生，并且植物在响应这些胁迫时会在多种水平上发生交互作用。
通过转基因的方法已经分离和鉴定了许多与作物抗旱性相关的基因。然而，检测这些基因对番茄抗旱性的影响主要在温室、小盆中或仅在幼苗期间进行，只有少数在田间检测。由于田间干旱胁迫的复杂性，那些温室中对改良抗旱性有效的基因在用于育种程序之前必须在田间进行进一步评估。并且一些基因对作物正常生长或增产潜力会有负面影响，例如植物在遭遇不利的环境时，植株变得矮小，减少能量或水分的流失以适应逆境。所以在番茄抗旱育种过程中，在明确基因功能的基础上，还需要建立科学的抗旱评价体系。目前，利用现代分子生物学和 MAS 结合的方法进行育种，是提高番茄抗旱性的有效途径。
基因组编辑也是一种精准、高效的基因工程方法。其中 CRISPR/Cas系统只需合成 1 个 sgRNA 就能实现对基因的特异性修饰，操作简单。利用此系统将番茄的 SlMAPK3 基因进行定点敲除，番茄表现对干旱高度敏感。尽管关于基因编辑技术在番茄抗旱性方面的报道并不多，但番茄具有高效的转化方法、二倍体基因组、高质量的基因组序列以及极高的经济价值，在众多双子叶植物中是 CRISPR/ Cas9 基因编辑技术的理想候选者，并且基因编辑技术能够定向修饰基因，能够获得不含转基因痕迹的后代，操作方便。因此基因编辑技术在改良番茄性状、提高抗旱性方面极具潜力。
来源：《中国蔬菜》，2017（12）：14 - 2，
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