小麥種質(zhì)資源苗期耐鹽性鑒定評價

孫現(xiàn)軍 姜奇彥 胡 正 李宏博 龐斌雙 張風(fēng)廷 張勝全,* 張 輝,*

研究簡報

小麥種質(zhì)資源苗期耐鹽性鑒定評價

孫現(xiàn)軍1姜奇彥1胡 正1李宏博2龐斌雙2張風(fēng)廷2張勝全2,*張 輝1,*

1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所作物種質(zhì)資源中心, 北京 100081;2北京市農(nóng)林科學(xué)院雜交小麥研究所, 北京 100097

土壤鹽漬化是影響小麥生長的重要非生物脅迫之一, 篩選培育耐鹽小麥種質(zhì)資源對開展鹽堿地綜合利用具有重要意義。本研究以19份雜交小麥和2份常規(guī)品種為試驗材料, 以蛭石為培養(yǎng)基質(zhì), 設(shè)置NaCl含量分別為0、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%的6個處理, 從播種時開始鹽脅迫處理, 分析測定生長相關(guān)的11項指標。采用多元統(tǒng)計分析方法對小麥種質(zhì)資源進行苗期耐鹽性評價, 結(jié)果表明, 在1.2%鹽處理下, 小麥種質(zhì)資源大多數(shù)指標的耐鹽系數(shù)四分位差最大, 因此, 1.2%鹽被認為是耐鹽鑒定最適濃度; 利用主成分分析方法可將11項調(diào)查指標的耐鹽系數(shù)簡化為3個主成分; 通過主成分貢獻率和隸屬函數(shù)分析進一步將3個主成分值簡化成綜合評價指標值; 根據(jù)值利用聚類分析將21份小麥種質(zhì)資源劃分為5類, 對應(yīng)高耐、耐鹽、中耐、敏感和高敏5個耐鹽級別, 苗期耐鹽鑒定表明13份雜交小麥的綜合評價值高于捷麥19與濟麥22; 結(jié)合逐步回歸分析獲得11個調(diào)查指標耐鹽系數(shù)與值的最優(yōu)回歸方程:= –0.743+0.779×PLL+0.372×TNL+1.273×PH+0.336×PLC+0.279×RL+0.558×RDW, 由此回歸方程可知倒二葉葉長(PLL)、總?cè)~片數(shù)(TNL)、株高(PH)、倒二葉葉綠素(PLC)、根長(RL)和根干重(RDW)可作為1.2%持續(xù)鹽脅迫下小麥種質(zhì)資源苗期鑒定評價指標。

小麥種質(zhì)資源; 苗期耐鹽; 綜合評價

我國鹽堿地面積約有1000萬公頃, 占國土總面積的10%左右[1]。小麥是我國主要糧食作物之一, 不同小麥品種(系)間的耐鹽能力差異顯著, 鑒定篩選耐鹽作物品種(系)能夠提高鹽堿地利用率。小麥苗期與土壤返鹽期重疊, 苗期耐鹽對小麥的生長發(fā)育影響顯著。不同研究者采用的小麥苗期耐鹽性鑒定體系存在差異, 主要表現(xiàn)在培養(yǎng)基質(zhì)、處理時期、鹽處理濃度、脅迫持續(xù)時間及調(diào)查指標方面。由附表1[2-13]可知, 多數(shù)研究者采取發(fā)芽盤內(nèi)發(fā)芽后, 將幼苗放于水培盒內(nèi)進行培養(yǎng)鑒定, 待二葉一心或三葉期時進行鹽處理, 部分研究者選擇耕層土澆灌鹽溶液方式進行小麥耐鹽鑒定; 小麥苗期耐鹽性鑒定多采用0.3%～1.7%濃度的NaCl鹽溶液處理, 持續(xù)一周至一個月后調(diào)查相關(guān)指標, 一般情況下, 隨著鹽處理濃度的增加相應(yīng)鹽處理持續(xù)時間縮短; 小麥苗期耐鹽性鑒定評價主要通過單指標分析和多指標綜合分析兩大類。隸屬函數(shù)值法結(jié)合主成分分析更能體現(xiàn)資源抗逆的特性, 是一種比較全面的綜合評價方法, 除應(yīng)用于小麥耐鹽鑒定評價外, 也被廣泛應(yīng)用于水稻[14]、大豆[15]、玉米[16]、綠豆[17]、高粱[18]等作物。

本研究選擇19份雜交小麥和2份常規(guī)品種為材料, 采用蛭石為培養(yǎng)基質(zhì), 使小麥從播種至調(diào)查整個階段都處于鹽脅迫條件, 選擇11個調(diào)查指標, 通過多指標綜合分析、主成分分析、隸屬函數(shù)等多元統(tǒng)計方法對小麥資源進行耐鹽鑒定評價。建立了一種簡便高效的小麥苗期耐鹽鑒定方法, 為小麥耐鹽資源挖掘和新耐鹽品種培育提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設(shè)計

對來自北京、山東、新疆、陜西的19份雜交小麥和2份常規(guī)品種進行耐鹽性鑒定, 所有供試材料均由北京市農(nóng)林科學(xué)院雜交小麥研究所提供。每份供試小麥材料挑選10粒飽滿無損傷的種子, 均勻播種于裝有等量蛭石的7.0 cm×7.0 cm×7.5 cm的小花盆內(nèi), 輕壓后覆蓋約1 cm厚的蛭石, 每21個小花盆置于53.5 cm×27.5 cm×6.0 cm的大盒內(nèi), 設(shè)置0%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%的6個處理, 從底部加入4 L含有不同鹽濃度的處理液, 使蛭石達到最大持水量, 以后每隔1周澆相同濃度的處理液2 L。從開始播種到性狀調(diào)查, 每次處理液中均加入Hoagland營養(yǎng)液。

1.2 調(diào)查指標

供試材料鹽脅迫40 d后, 開始對小麥幼苗進行單株調(diào)查, 調(diào)查指標包括總?cè)~片數(shù)(total number of leaf, TNL)、耐鹽級別(salt tolerance level, STL)、株高(plant height, PH): 蛭石上方至最高葉葉舌處的距離、倒二葉葉長(penultimate leaf length, PLL)、倒二葉葉寬(penultimate leaf width, PLW)、倒二葉葉綠素(penultimate leaf chlorophyll, PLC)、根長(root length, RL)、地上鮮重 (above-ground fresh weight, AFW)、地上干重(above-ground dry weight, ADW)、根鮮重(root fresh weight, RFW)、根干重(root dry weight, RDW) 11個指標。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel、SPSS 26.0統(tǒng)計分析耐鹽系數(shù)、四分位差、主成分分析、隸屬函數(shù)、聚類及逐步回歸等多元分析。相關(guān)指標計算如下。

耐鹽系數(shù): STI (salt tolerance index) =處理值/正常值 (1)

表示隸屬函數(shù)值,X表示第個種質(zhì)第個主成分分值,X,min表示第個主成分的最小值,X,max表示第個主成分的最大值。

權(quán)重w表示第個主成分在所有主成分中的重要程度,P表示經(jīng)主成分分析所得的第個主成分的貢獻率。

值表示第個種質(zhì)在鹽脅迫條件下的耐鹽性綜合評價值。

聚類分析: 根據(jù)值, 采用歐式距離, 組間平均連接法對21份種質(zhì)資源進行分類。

逐步回歸: 將耐鹽性綜合評價值作為因變量, 調(diào)查各項指標的耐鹽系數(shù)作為自變量進行逐步回歸分析, 獲得最佳的回歸方程式。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫濃度選擇

在不同鹽脅迫處理下, 分別調(diào)查不同小麥種質(zhì)資源的耐鹽級別等11個指標, 根據(jù)葉片受鹽害癥狀, 判定小麥苗期的耐鹽級別, 判定標準參照[19]。根據(jù)公式(1)計算各小麥種質(zhì)資源在不同濃度下的耐鹽系數(shù), 由表1可知, 隨著鹽濃度的增加, 除耐鹽級別耐鹽系數(shù)逐漸增加外, 其他10個調(diào)查指標的耐鹽系數(shù)的中位數(shù)均逐漸降低; 在1.2%鹽脅迫下, STL、PH、PLC、AFW、ARW和RFW 6個指標的耐鹽系數(shù)在不同小麥種質(zhì)資源間的四分位差達到極值, 說明1.2%鹽脅迫是小麥種質(zhì)資源持續(xù)性耐鹽鑒定較為合適的濃度。

表1 不同鹽脅迫下調(diào)查指標耐鹽系數(shù)描述

TNL: the total number of leaves; STL: salt tolerance level; PH: plant height; PLL: penultimate leaf length; PLW: penultimate leaf width; PLC: penultimate leaf chlorophyll; RL: root length; AFW: above-ground fresh weight; ADW: above-ground dry weight; RFW: root fresh weight; RDW: root dry weight.

2.2 主成分分析

對在1.2%鹽濃度下的11個調(diào)查指標耐鹽系數(shù)進行主成分分析。根據(jù)特征值大于1的標準, 剔除貢獻率小的指標, 共提取到3個主成分, 貢獻率依次為39.65%、18.78%、13.04%, 總貢獻率達71.48%。各主成分的特征值、原始性狀載荷及貢獻率詳見表2。通過主成分分析將小麥種質(zhì)資源的11個調(diào)查指標耐鹽系數(shù)轉(zhuǎn)化為3個獨立的綜合指標, 用于進一步的耐鹽綜合評價分析。

2.3 綜合評價

根據(jù)不同小麥種質(zhì)資源的主成分值, 利用公式(2)計算3個綜合指標的隸屬函數(shù)值, 對21份小麥種質(zhì)資源進行歸一化處理。利用公式(3)計算各主成分的權(quán)重, 權(quán)重值分別為55.47%、26.28%、18.25% (表2)。獲得綜合指標的隸屬函數(shù)值和權(quán)重后, 根據(jù)公式(4)進一步計算各小麥種質(zhì)資源的耐鹽性綜合評價值。依據(jù)值對小麥種質(zhì)資源的耐鹽能力進行評價, 各小麥種質(zhì)資源的值介于0.19～0.81, 綜合評價值越高代表鑒定材料的耐鹽能力越強(表3)。

表2 前3個主成分特征值和特征向量描述

表3 每份鑒定種質(zhì)的主成分值、隸屬函數(shù)值與綜合評價D值

2.4 聚類分析

根據(jù)綜合評價值, 利用SPSS軟件采用最短距離法對不同小麥種質(zhì)資源進行聚類分析, 由圖1可知, 在歐氏距離3.0處, 可將21份供試材料分為5個類群, 較好地對應(yīng)了小麥種質(zhì)資源高耐、耐鹽、中耐、敏感和高敏5個耐鹽級別。第II類群(值: 0.73～0.81)包括2份(京麥13、BH1273)小麥資源, 耐鹽級別為高耐, 第I類群(值: 0.51～0.65)包括3份(MS19-4、BH2528、BH6705)小麥資源, 耐鹽級別為耐鹽, 第V類群(值: 0.39～0.45)包括6份(中種麥1731、CHA17-8、滄麥14、墾冬雜22號、BH1706、BH7805)小麥資源, 耐鹽級別為中耐, 第IV類群(值: 0.30～0.35)包括7份(滄麥6005、BH3757、西大7號、中種麥5363、捷麥19、BH5357、CHA18-1)小麥資源, 耐鹽級別為敏感, 第III類群(值: 0.19～0.26)包括3份(濟麥22、BH5379、小偃60)小麥資源, 耐鹽級別為高敏。

2.5 逐步回歸分析

為篩選與小麥種質(zhì)資源耐鹽鑒定相關(guān)性強的指標, 建立適用于小麥種質(zhì)資源苗期耐鹽性鑒定評價的數(shù)學(xué)模型, 將11個指標的耐鹽系數(shù)作為自變量, 耐鹽鑒定綜合評價值作為因變量, 進行逐步回歸分析, 建立最優(yōu)回歸方程:= –0.743+0.779×PLL+0.372×TNL+1.273×PH+0.336× PLC+0.279×RL+0.558×RDW, 方程決定系數(shù)2=0.993,= 0.0001。由方程決定系數(shù)和值可知, 該回歸方程較好地估計了不同小麥種質(zhì)資源的耐鹽性評價綜合值。表4對回歸方程的估計精確度進行評價表明, 除小麥種質(zhì)資源CH18-1的預(yù)測精度為89.30%外, 其他種質(zhì)資源的綜合評價值估計精準度均在94.25%以上, 由此可知, 本回歸方程中的指標能夠體現(xiàn)不同小麥種質(zhì)的耐鹽能力, 采用本研究中的持續(xù)鹽脅迫下(1.2%)小麥種質(zhì)資源鑒定評價體系, 只需調(diào)查PLW、TNL、PH、PLC、RW和RRW 6個指標, 計算相應(yīng)耐鹽系數(shù), 利用上述回歸方程估算獲得的綜合評價值判定小麥種質(zhì)資源的耐鹽能力。

3 討論

土壤鹽漬化影響作物鹽分運輸與分布, 導(dǎo)致植物營養(yǎng)失衡, 發(fā)育遲緩甚至死亡, 嚴重影響作物生長與產(chǎn)量。小麥是全世界種植面積廣、適應(yīng)性強的糧食作物, 鑒定篩選耐鹽性強的小麥種質(zhì)資源, 能夠?qū)崿F(xiàn)耕地資源擴容、增效, 為保障國家糧食安全創(chuàng)造可利用土地資源。建立操作簡單、準確高效的小麥資源鑒定評價體系有助于篩選優(yōu)異的耐鹽資源。

3.1 持續(xù)鹽脅迫下小麥種質(zhì)資源耐鹽性鑒定評價體系

以往的小麥苗期耐鹽性鑒定評價研究中, 多采取先在培養(yǎng)皿內(nèi)發(fā)芽, 然后移栽于水培環(huán)境中進行鹽脅迫處理, 小麥是旱地作物, 水培法耐鹽性鑒定往往不能很好地反映小麥種質(zhì)資源真實的耐鹽能力。少數(shù)研究者采用耕層土進行培養(yǎng)鑒定, 本研究以蛭石為小麥培養(yǎng)基質(zhì), 能夠使鑒定材料處于相對均一的生長環(huán)境, 且具有吸水迅速、有利于保持土壤鹽水的相對穩(wěn)定, 具有以往小麥種質(zhì)資源耐鹽鑒定無法比擬的優(yōu)勢。為更接近真實的鹽堿地生長環(huán)境, 本研究從播種開始就對供試材料進行鹽脅迫處理, 此后每周加一次鹽溶液。由于蛭石中不含任何作物所需的營養(yǎng)元素, 小麥種子自身含有的營養(yǎng)與幼苗的光合作用產(chǎn)能, 不足以支撐小麥在持續(xù)40 d鹽脅迫條件下的正常生長, 因此在每次添加處理液的同時加入Hoagland營養(yǎng)液。為探索適合小麥的耐鹽性鑒定最佳濃度, 設(shè)置了由低到高含有不同NaCl的鹽脅迫處理, 結(jié)果表明, 在1.2%持續(xù)鹽脅迫下, 大多數(shù)調(diào)查指標的耐鹽系數(shù)的四分位差值達到最大, 說明選擇1.2% NaCl溶液處理, 是小麥種質(zhì)資源持續(xù)性耐鹽鑒定評價體系的合適濃度。

圖1 基于D值的21份小麥種質(zhì)資源聚類

表4 回歸方程的估計精度分析

(續(xù)表4)

3.2 雜交小麥具有相對較高的耐鹽能力

農(nóng)作物的雜種優(yōu)勢利用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中越來越突出, 從雜交水稻、雜交玉米到雜種蔬菜不斷發(fā)展, 雜交小麥在氣候、灌溉等條件苛刻的情況下表現(xiàn)突出。普通小麥品種耐鹽性鑒定評價中, 濟麥22常被用作為耐鹽對照材料, 如劉彤彤等[2]采用1.2%的鹽濃度對40個山西省主推品種進行苗期耐鹽性鑒定, 結(jié)果表明濟麥22的苗期耐鹽綜合評價值0.67, 屬于中耐水平。韓冉等[3]對從1526份小麥品種芽期耐鹽鑒定中篩選到包括濟麥22的鹽害指數(shù)低于0.3的6個常規(guī)品種進行苗期耐鹽性鑒定表明, 濟麥22的耐鹽能力僅次于耐鹽性最強的濟麥262。時麗冉等[6]對小麥雜交品種衡9966及其親本良星99和良星66、濟麥22進行了不同鹽濃度的處理, 隸屬函數(shù)值分析結(jié)果表明雜交后代衡9966的耐鹽性優(yōu)于雙親。本研究選取了19份雜交小麥和2份常規(guī)品種(濟麥22和捷麥19), 通過比較各種質(zhì)資源的耐鹽性綜合評價值發(fā)現(xiàn), 大多數(shù)雜交小麥的耐鹽能力高于普通小麥, 如京麥13的耐鹽性綜合評價值超過0.80, 表現(xiàn)為高耐。

3.3 多元化統(tǒng)計方法

主成分分析是多元統(tǒng)計分析中常用的降低變量維度的方法, 能將多個相關(guān)關(guān)聯(lián)的指標轉(zhuǎn)化為幾個相互獨立且能反映樣品變異的少數(shù)指標[20]。本研究利用主成分分析, 將11個小麥資源苗期耐鹽性鑒定指標轉(zhuǎn)化為3個主成分, 代表了原始指標攜帶的絕大多數(shù)信息。利用隸屬函數(shù)將3個主成分進行歸一化處理, 獲得小麥苗期耐鹽性鑒定綜合評價值。為進一步獲得可靠的耐鹽性評價指標, 根據(jù)值和各指標的耐鹽系數(shù), 采用逐步回歸分析, 最終獲得與值密切相關(guān)的6個指標, 利用此評價數(shù)學(xué)模型能夠預(yù)測其他小麥種質(zhì)資源的苗期耐鹽能力。

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附表1 小麥種質(zhì)資源苗期耐鹽鑒定評價體系要點匯總

Table S1 Summary of key points of salt-tolerant identification and evaluation system of wheat germplasm resources in seedling stage

培養(yǎng)基質(zhì)Cultivation ofsubstrate初始處理期Initial processingperiod鹽處理濃度Salt treatment concentrations評價指標Evaluation indicators持續(xù)時間Time of duration (d)參考文獻Reference 萌發(fā)盤+水培Germination box and water planting二葉期Two leaves period1.2%苗高 Plant height主根長 Main root length根數(shù) Number of root根鮮(干)重 Root fresh/dry weight莖葉鮮(干)重 Stem fresh/dry weight綜合評價D值 Comprehensive evaluation D-value7[2] 萌發(fā)盤+水培Germination box and water planting發(fā)芽移栽后3 dThree days after germination and transplanting1.0%苗高 Plant height根長 Root length相對生長量 Relative growth rate7[3] 萌發(fā)盤+水培Germination box and water planting發(fā)芽移栽后3 dThree days after germination and transplanting0.5%1.0%1.5%株高 Plant height根長 Root length5[4] 萌發(fā)盤+水培Germination box and water planting三葉期Three leaves period0.2 mol L–1生物量 Biomass電導(dǎo)率 Conductivity抗氧化酶類 Antioxidation enzymes7[5] 萌發(fā)盤+水培Germination box and water planting三葉期Three leaves period0.3%0.5%1.0%葉綠素Chlorophyll抗氧化酶類 Antioxidation enzymes15[6] 萌發(fā)盤+水培Germination box and water planting一葉后6 dSix days after one leaf period逐漸增加濃度Concentration increased gradually25 mmol L–175 mmol L–1150 mmol L–1株高 Plant height主根數(shù) Number of main root根長 Root length根鮮(干)重Root fresh/dry weight莖葉鮮(干)重 Stem fresh/dry weight耐鹽指數(shù) Index of salinity tolerance28[7] 萌發(fā)盤+水培Germination box and water planting二葉期Two leaves period0.3 mol L–11.6 mol L–1生長指標 Growth index;生理生化指標Physiological and biochemical indexesD值綜合分析 Comprehensive evaluation D-value3[8] 耕層土Top soil三葉期Three leaves period0.6%0.8%1.0%1.2%株高 Plant height莖葉鮮重 Fresh weight of stem and leaf莖葉干重 Dry weight of stem and leafD值綜合分析 Comprehensive evaluation D-value10[9] 萌發(fā)盤+水培Germination box and water planting二葉期Two leaves period300 mmol L–1單株調(diào)查耐鹽表型Salt tolerance phenotype of each plant20[10] 萌發(fā)盤+水培Germination box and water planting二葉期Two leaves period處理液中含40%海水Treatment solution contains 40% seawater株高 Plant height根長 Root length地上干重Ground dry weight地下干重 Root dry weight14[11] 萌發(fā)盤+水培Germination box and water planting二葉期Two leaves period300 mmol L–1單株調(diào)查耐鹽表型Salt tolerance phenotype of each plant20[12] 萌發(fā)盤+水培Germination box and water planting萌動發(fā)芽后After germination逐漸提高鹽濃度Concentration increased gradually根長 Root length株高 Plant height根量 Number of root分蘗數(shù) Tiller number葉片鹽害癥狀 Symptom of leaf salt injury30[13]

Identification and evaluation of wheat germplasm resources at seedling stage

SUN Xian-Jun1, JIANG Qi-Yan1, HU Zheng1, LI Hong-Bo2, PANG Bin-Shuang2, ZHANG Feng-Ting2, ZHANG Sheng-Quan2,*, and ZHANG Hui1,*

1Center for Crop Germplasm Resources, Institute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;2Beijing Academy of Agriculture and Forestry Science Research Institute of Hybrid Wheat, Beijing 100097, China

Soil salinization is one of the important abiotic stresses which affects wheat growth. The screening and breeding salt-tolerant wheat is of great significance to the utilization of salinized land. 19 hybrid wheat resources and 2 conventional varieties were used as the experimental materials, seeds were grown in vermiculite, 6 treatments of NaCl solutions with 0, 0.4%, 0.8%, 1.2%, 1.6%, and 2.0% from sowing were set, and 11 indicators related to the growth were analyzed and determined. The multivariate statistical analysis method was used to evaluate the salt-tolerant of wheat germplasm resources at seedling stage. The results showed that the saline tolerance coefficient of most indicators were the highest interquartile range under 1.2% salinity among germplasm resources, thus the 1.2% salinity was considered as the optimum concentration for identification saline tolerance. 11 indicators could be simplified into 3 principal components by using principal component analysis. Through the analysis of principal component contribution rate and membership function, the 3 principal component values were further reduced to-value of comprehensive evaluation index. According to the-value, 21 wheat germplasm resources were divided into 5 salt-tolerant levels (high tolerance, salt tolerance, medium tolerance, sensitive and high sensitivity) by cluster analysis. The comprehensive evaluation-values of 13 hybrid wheat varieties were higher than that of Jiemai 19 and Jimai 22 at seedling stage. Combined with stepwise regression analysis, the optimal regression equation of salt-tolerant coefficient and-value of 11 indicators was obtained:= –0.743+0.779×PLL+0.372×TNL+1.273×PH+0.336×PLC+0.279×RL+0.558×RDW. Based on the above regression equation, PLL (penultimate leaf length), PH (plant height), PLC (penultimate leaf chlorophyll), RL (root length), and RDW (root dry weight), could be used as evaluation indicators for wheat germplasm resources identification under 1.2% continuous salt stress at seedling stage.

wheat germplasm resources; salt-tolerant at seedling stage; comprehensive evaluation

10.3724/SP.J.1006.2023.21021

本研究由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程(CAAS-ZDRW202201), 北京市農(nóng)林科學(xué)院科技創(chuàng)新能力建設(shè)專項(KJCX20210439)和國家自然科學(xué)基金項目(31601329)資助。

This study was supported by the Agricultural Science and Technology Innovation Program (CAAS-ZDRW202201), the Science and Techno-logy Innovation Project of BAAFS (KJCX20210439), and the National Natural Science Foundation of China (31601329).

張勝全, E-mail: zsq8200@126.com; 張輝, E-mail: zhanghui06@caas.cn

E-mail: sunxianjun@caas.cn

2022-03-12;

2022-09-05;

2022-09-13.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20220913.1213.002.html

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