全 文 :·技术与方法·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2016, 32(7):34-39
随着微生物分子技术的发展,对真菌基因组和
转录组进行全序列测定进而分析关键酶、基因及其
动态变化是定向改造菌种特性的依据,并已逐渐成
为微生物领域的研究热点。提取基因组和转录组则
是测序的第一步,其质量及收率决定着能否进行有
效测序并得到高质量数据。多种真菌的基因组提取
方法已见报道[1-3],但每种真菌有其独特的生理特性,
基因组和转录组的提取技术和方法不尽相同。高山
被孢霉(Mortierella alpina)是一类丝状真菌,是工
业化生产花生四烯酸(arachidonic acid,ARA)的高
产菌种,在基因序列中,有高达 60% 的基因参与脂
肪酸代谢[4]。
收稿日期 :2015-09-06
基金项目 :国家高技术研究发展计划(“863”计划)(2014AA021703),教育部留学回国人员科研启动基金资助项目(教外司留[2013]693 号)
作者简介 :凌瑞,女,硕士研究生,研究方向 :微生物发酵工程与代谢调控 ;E-mail :lrr@mail.ustc.edu.cn
通讯作者 : 姚建铭,男,研究员,研究方向 :低能离子束诱变育种、微生物发酵工程与代谢调控 ;E-mail :jmyao@ipp.ac.cn
孙立洁,女,副研究员,研究方向 :微生物发酵工程与代谢调控 ;E-mail :ljsun@ipp.ac.cn
高山被孢霉的基因组及转录组的提取技术研究
凌瑞1 孙立洁1,2 陈祥松1 袁丽霞1 吴金勇1 姚建铭1
(1. 中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所,合肥 230031 ;2. 中国科学院湖北产业技术创新与育成中心,武汉 430072)
摘 要 : 基因组和转录组的高通量测序对样品的纯度和含量要求较高,旨在通过研究高山被孢霉在不同培养条件下和采用
不同菌丝处理方法对其基因组和转录组质量的影响来确定最佳提取方式。结果表明,PDA培养基培养的菌丝与发酵培养基培养的
菌丝经基因组提取后在琼脂糖凝胶电泳中有明显不同的表现,使用发酵培养基培养的菌丝提取的基因组 DNA无降解,而以 PDA
培养基培养的菌丝提取的基因组 DNA出现部分降解。在使用国产试剂盒做高山被孢霉转录组 RNA提取实验中发现,使用液氮速
冻后破碎菌丝并结合使用 β-疏基乙醇更易提取到高浓度且无降解的转录组样品。
关键词 : 高山被孢霉;基因组;转录组;提取技术
DOI :10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.07.005
Technologies of Extracting Genome and Transcriptome from
Mortierella alpina
LING Rui1 SUN Li-jie1,2 CHEN Xiang-song1 YUAN Li-xia1 WU Jin-yong1 YAO Jian-ming1
(1. Institute of Plasma Physics Chinese Academy of Sciences,Hefei Institute of Physical Science,Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031;2.
Hubei High-tech Innovation and Business Incubation Center,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430072)
Abstract: High-throughput sequencing of transcriptome and genome demands the high purity and content of sample,the purpose of
this work is to determine the optimal extraction technology by studying the effects of Mortierella alpina in different culture conditions and using
different hypha processing methods on the genome and transcriptome quality. The results showed that the mycelium from liquid fermentation
medium after genome extraction presented a significant difference in agarose gel electrophoresis compared to the mycelium from PDA culture
medium,the former gave degradation-free genome DNA but the latter was extracted genomic DNA of some degradation. During using domestic
brand kit to study M. alpina tanscriptome RNA extraction,it was found that using liquid nitrogen fast-frozen method to break the hypha cell wall
combined with applying β-Mercaptoethanol resulted in more likely to extract the high concentration and no-degradation transcription sample.
Key words: Mortierella alpina ;genome ;transcriptome ;extraction technology
2016,32(7) 35凌瑞等 :高山被孢霉的基因组及转录组的提取技术研究
高山被孢霉培养条件一般有 3 种 :PDA 固体培
养基、PDA 液体培养基和发酵培养基。由 PDA 固体
培养基及 PDA 液体培养基培养的菌丝提取基因组的
优势在于简单易行、节约培养时间 ;其缺点是菌丝
量较小,易受 PDA 培养基中马铃薯 DNA 的干扰 ;
由液体发酵培养基中的菌丝提取基因组的优势在于
菌丝量大,可降低外源 DNA 干扰,提取效率高,缺
点是培养时间过长,操作相对繁琐复杂。
高山被孢霉转录组的提取过程相对于基因组提
取过程对环境和操作技术的要求更高、更复杂。对
于高山被孢霉转录组的提取方法报道较少[5],随着
生物技术的快速发展,使用繁琐的化学试剂进行各
类生物和细胞组织的基因组和转录组的提取已基本
被方便快捷高效的试剂盒所取代,而进口的试剂盒
价格高昂,使得很多实验室望而却步。本研究首次
使用国产试剂盒对高山被孢霉转录组进行提取,并
通过电泳、OD 值、RT-PCR 进行验证,旨在确定提
取高山被孢霉转录组的最佳方法。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 实 验 菌 株 高 山 被 孢 霉 Mortierella alpina
cfcc88447,购于中国林业微生物菌种保藏管理中心。
高山被孢霉 Mortierella alpina G2,由本实验室分离
获得,菌种以甘油管保存于 -80℃冰箱内,每 6 个月
转存一次。
1.1.2 仪器和设备 气相色谱仪 :GC1690,岛津 ;
自动凝胶成像仪 :JS-680D,500 万像素,上海培清 ;
流式芯片 :Agilent 2100 生物分析仪,美国 ;微量紫
外分光光度计 :Thermo NANODROP,美国 ;PCR 扩
增仪 :Bio-Rad,MyCycler,美国。
1.2 方法
1.2.1 培养基 PDA 固体培养基 :马铃薯 20%,葡
萄糖 2%,琼脂 2%,KH2PO4 0.05%,MgSO4 0.025%,
pH 自然。PDA 液体培养基:马铃薯 20%,葡萄糖 2%,
KH2PO4 0.05%,MgSO4 0.025%,pH 自然。菌种种子
液培养基 :葡萄糖 8%,酵母粉 2%,pH 自然。菌种
发酵培养基 :葡萄糖 8%,酵母粉 2%,pH 自然。
1.2.2 菌种的培养与菌丝收集 菌种活化 :将甘油
管保存的菌种分别转接到 PDA 固体及液体培养基,
28℃培养 5-8 d,湿度 40%-60%。
接种方式 :制备菌悬液,按 5% 的接入量至 100
mL 种子液培养基,220 r/min,28℃,培养 3 d。
发酵培养 :按 8% 的接入量接入 100 mL 发酵培
养基,220 r/min,28℃,培养 7-10 d。
菌丝收集 :刮取 PDA 固体培养基表面菌丝,避
免刮到培养基。PDA 液体培养基及发酵培养基中的
菌丝使用接种环挑取,于无菌条件下使用超纯水反
复清洗 4-5 次,将洗净菌丝转移至无菌烧杯中。
1.2.3 高山被孢霉基因组提取 菌丝处理方法 :将
清洗完全的 PDA 固体培养基菌丝、PDA 液体培养基
和发酵培养菌丝置于真空冷冻干燥机中抽真空 24 h
至菌丝完全干燥,干燥后的菌丝放于研钵中,倒入
液氮进行研磨,将菌丝研磨的尽量细,收集菌粉,
转到离心管中。基因组提取方法 :称取菌粉 0.04 g,
使用 QIAGEN 试剂盒 DNeasy Plant Mini Kit 进行抽提。
1.2.4 高山被孢霉转录组提取 挑取发酵 6 d 的高
山被孢霉菌丝至 15 mL 离心管中,用 DEPC 处理水
清洗菌丝,反复多次,尽量去除多余水。称量菌丝
0.5 g 至离心管中,使用北京艾德莱生物科技有限公
司的 RN38-EASYspin Plus 植物 RNA 快速提取试剂
盒提取[6];比较对破碎组织及分离 RNA 的两种方
法,方法一是直接取新鲜的菌丝组织称取。0.5 g 放
入研钵,加入裂解液室温下充分研磨成匀浆,迅速
研磨让组织和裂解液立即充分接触以抑制 RNA 酶活
性 ;方法二是称取 0.5 g 菌丝用液氮速冻后取出立即
进行研磨,加强菌丝壁的裂解程度,研好后呈细浆
状。此时加入 5% β-巯基乙醇及裂解液,于 65℃水
浴中预热,加入到研磨好的菌浆中立即吹打混匀裂
解,振荡混匀后按照试剂盒步骤进行提取。
1.2.6 分析方法
1.2.6.1 菌体生物量的测定 摇瓶发酵结束后,发
酵液用布氏漏斗进行抽虑 ;抽干的菌体会形成菌饼,
计算干重 W 即为生物量。
1.2.6.2 总油脂抽提和计算方法(索氏提取法)将
烘干的菌体放入研钵进行研磨至细小的颗粒状,称
取上述研磨的颗粒(粉末)1-2 g,取精确值 W0,用
滤纸包住,系上棉绳,放入烘箱 105℃烘至恒重(约
30 min),称滤纸包重量 W1 ;将烘后的滤纸包放入
索氏提取器内,用石油醚进行索氏提取,8-10 h 后
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2016,Vol.32,No.736
取出,105℃烘干,称纸包重量 W2。
总油脂 %=(W1-W2)/ W0×100%
1.2.6.3 油脂中 ARA 百分含量的测定和计算 (1)
样品处理(甲酯化):称取研磨菌渣 0.1 g 左右,加
入 0.5% 氢氧化钾甲醇溶液 1 mL,60℃水浴 30 min,
每 5 min 摇匀一次,加入三氟化硼甲醇溶液 1 mL,
60℃水浴 30 min,每 5 min 摇匀一次,取出后,加
入 2 mL 正己烷,混匀后加入 1 mL 饱和氯化钠溶液,
反应完毕。4 000 r/min 离心 5 min,取上层进行气相
检测。(2)气相色谱条件 :DB-23ms(30.0 m×0.25
mm×0.25 μm)石英毛细管色谱柱柱 ;柱温程序 :
90℃ 保 持 1 min, 以 9℃/min 升 至 240℃, 保 持 5
min;载气:氮气;流速:约 2.0 mL/min;进样口温度:
250℃;进样模式:分流进样(分流比 1∶10);进样量:
1 μL ;检测器温度 :280℃。(3)计算方法 :ARA 百
分含量的计算使用的是面积归一法,即 ARA 在气相
检测图谱中的峰面积占总峰面积的百分比。
1.2.7 琼脂糖凝胶电泳对基因组的分析 DNA 样品
进行电泳 :取 1 μL loading buffer(6×)与 5 μL DNA
样品混合,缓慢将样品及 Marker 分别注入加样孔
中,跑胶电压 90 V。在琼脂糖凝胶电泳成像系统中
使用配套软件,进行样品质量分析。样品浓度使用
Thermo NANODROP 设备进行测定。
1.2.8 琼脂糖凝胶电泳对转录组的分析 RNA 样品
进行电泳 :取 1 μL loading buffer(6×)与 5 μL RNA
样品混合,缓慢将样品及 Marker 分别注入加样孔中,
跑胶电压 100 V。在琼脂糖凝胶电泳成像系统中使
用配套软件,进行样品质量的分析。样品浓度使用
Thermo NANODROP 设备进行测定。
1.2.9 RT-PCR 取 1.2.4 中方法二提取的转录组,
使用北京艾德莱生物科技有限公司的 PC1801 试剂
盒合成第一链 cDNA。引物设计 :选取高山被孢霉
GMER 蛋白设计引物进行 RT-PCR,即 LR1 :5-AT
GTCTCCCTCAAAGTCGGTCATCATGGTC-3 ;LR2 :
5-CCATAGTTGGAGTCGTGGGGAGGTCCTT-3。反应
体系 :使用北京艾德莱生物科技有限公司的 PC0902
Taq PCR MassterMix。PCR 扩 增 程 序 如 为 :94℃ 3
min ;94℃ 30 s,55℃ 30 s,72℃ 1-2 kb/min,共 40
个循环 ;72℃ 8 min。
1.2.10 高山被孢霉结晶紫染色方法 载玻片固定 :
在无菌条件下,用接种环挑取少量菌丝于干净的载
玻片上涂布均匀,加热以杀死菌种并使其粘附固定;
草酸铵结晶紫染 1 min ;自来水冲洗,去掉浮色。
2 结果
2.1 高山被孢霉菌丝来源对基因组提取的影响
对 PDA 固体培养基培养的高山被孢霉菌丝、
PDA 液体培养基中的菌丝和三角瓶中培养的液体发
酵菌丝进行同等条件下的基因组提取实验,比较菌
丝生理状态、提取纯度和提取收率,并确定最优的
基因组提取方法。本实验所使用菌种为高山被孢霉
cfcc88447,培养于 PDA 固体培养基、PDA 液体培养
基的菌丝与发酵培养基中生长的菌丝略有不同(表
1),显微镜观察染色后的对比图片见图 1,染色前
培养于 PDA 固体培养基、PDA 液体培养基和发酵培
养基中的菌丝生长状态,见图 2。
琼脂糖凝胶电泳图(图 3)显示,PDA 培养基
中菌丝提取的基因组条带不清晰,并出现了严重拖
尾现象(图 3 中泳道 1 和 2),而 Marker 样品的条
带清晰,分离效果较好,证明电泳条件无问题。相
对比而言,使用液体发酵菌丝提取的高山被孢霉基
因组条带非常清晰,无拖尾现象。经反复实验证实,
均出现此结果,表明 PDA 培养基培养的高山被孢霉
菌丝用作基因组提取原料,样品出现了部分 DNA 断
裂现象,且培养基中的马铃薯不易彻底去除,从而
导致对 DNA 样品造成污染,进而对基因组测序造
成干扰,影响 DNA 测序过程的分析和结果的准确
性。对基因组样品进行收率计算,使用液体发酵菌
丝提取的基因组收率高且条带清晰,满足测序要求
(表 2)。
2.2 高山被孢霉转录组提取方法的尝试和改进
进口转录组提取试剂盒价格昂贵,且并非适合
所有微生物转录组的提取,有时出现提取效率低,
转录组纯度和质量不理想等问题。本研究首次尝试
使用国产转录组试剂盒进行高山被孢霉的转录组提
取[7,8],研究使用国产试剂盒提取高山被孢霉的转
录组提取效果和条件,如该方法成功,将大大节约
提取成本,还可对国产品牌起到一定的宣传推广作
2016,32(7) 37凌瑞等 :高山被孢霉的基因组及转录组的提取技术研究
A
C
B
图 1 高山被孢霉 PDA 固体培养基(A)、PDA 液体培养基
(B)、发酵培养基(C)经草酸铵结晶紫染色后的形
态比较
A
C
B
图 2 高山被孢霉 PDA 固体培养基菌丝(A)、PDA 液体培
养基菌丝(B)、发酵培养基菌丝(C)的形态比较
表 1 高山被孢霉(cfcc 88447)不同培养条件下菌丝主要
特点
菌丝来源 菌丝体形态 菌丝颜色 孢子形态 结晶紫染色
PDA 固体培养基 菌丝长,分支少 白色绒状 孢子多 深,易着色
PDA 液体培养基 菌丝较粗,分支少 淡黄色 可见菌球 深,晚着色
发酵液体培养基 菌丝较粗,分支密 黄褐色 少见孢子 浅,着色力差
M 1 2 M 3 4
1,2 :分别为高山被孢霉 cfcc88447 PDA 固体培养基及液体培养基培养的菌
丝作为原料提取的基因组 DNA 样品,样品上样量 4 μL ;3 和 4 :高山被孢
霉 cfcc 88447 液体发酵菌丝作为原料提取的基因组 DNA 样品,泳道 3 为 4
μL 上样量,泳道 4 为 2 μL 上样量 ;M :标准 λ DNA/Hind III Marker
图 3 菌丝不同培养方式提取基因组的琼脂糖凝胶成像图谱
比较
用。该实验所用菌株为本实验室保存的高山被孢霉
G2 菌。按照试剂盒提供方法所述进行转录组提取实
验,见 1.2.4 中的具体提取方法描述,使用方法一中
所述的在新鲜的菌丝体中加入裂解液,室温下将菌
丝充分研磨成匀浆,经反复实验,该方法提取得到
的 RNA 浓度偏低达不到转录组测序所需总量和浓度
要求(图 4 中泳道 1),推测由于高山被孢霉细胞壁
中几丁质含量较高,普通裂解液不能对其进行完全
破碎,导致 RNA 释放受限,收率偏低。因而,在菌
丝体处理方法上加以改进,使用 1.2.4 中所述的方法
二进行提取,并用液氮对菌丝进行迅速冷冻加强菌
丝壁的破碎程度,然后使用裂解液及 β-巯基乙醇的
共同作用来裂解细胞壁释放总 RNA(图 4 泳道 2),
经反复实验,均证明 RNA 浓度提高了 10-20 倍以
上,5S 条带非常弱,说明 RNA 无明显降解,经 RT-
PCR,成功获得 GMER 的基因片段(图 4 泳道 3),
因此所获高山被孢霉转录组的浓度和质量均达到测
序的标准[9],具体浓度见表 3。
根据表 3 中数据显示可知,使用两种方法所获
得的 RNA 最终的 A260/A230 均大于 2,说明使用该试
剂盒脱盐较充分,A260/A280 均大于 2,且在数值 2.2
左右,说明蛋白去除较彻底,经比较两种菌丝的前
处理方法,证明以第二种方法,将菌丝速冻后进行
研磨提取,并加入 β-巯基乙醇,可大大提高 RNA 收
率,其质量也可达到测序所需标准。综合分析证明
该试剂盒适合于高山被孢霉的转录组提取。
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2016,Vol.32,No.738
表 2 高山被孢霉(cfcc 88447)不同培养条件下提取基因组质量比较
菌丝来源 琼脂糖凝胶电泳特点 菌丝用量 /g DNA 浓度 /μg DNA 降解
PDA 固体培养基 条带拖尾,边界模糊 0.04 2.30 部分降解
PDA 液体培养基 条带拖尾,边界模糊 0.04 2.17 部分降解
发酵液体培养基 条带清晰,无拖尾 0.04 6.42 无降解
M 1 M 2 M 3
28S
18S
28S
18S
DNA
5S
M :标准 λ DNA/Hind III Marker ;1 :直接裂解的方法所得高山被孢霉 G2 的
RNA 样品,上样量 2 μL ;2 :使用液氮研磨及 β-巯基乙醇共同作用下裂解菌
丝后所得高山被孢霉 G2 的 RNA 样品,上样量为 2 μL ;3 :提取出的 RNA
经 PCR 的 GMER 基因片段,上样量为 2 μL
图 4 RNA 及 RT-PCR 琼脂糖凝胶成像
2.3 高山被孢霉基因组和转录组提取所使用的发
酵菌丝的验证
高山被孢霉的每批次发酵是否正常主要是通过
评判发酵菌丝的生物量、其中总油脂含量和 ARA 的
百分含量这 3 项指标,用以作为任何下一步实验结
果讨论的基本依据。本研究中所涉及的基因组和转
录组提取条件和技术的研究所使用的发酵菌丝体均
同步进行了该 3 项指标的测定,达到预期水平后方
可进行下一步的提取条件和技术的研究工作,ARA
的 GC 图谱见图 5,ARA 的峰出现在 17.763 s,含量
为油脂总量的 31.8791%。提取用菌丝发酵产量及正
常发酵取值范围,见表 4。
3 讨论
高山被孢霉属于长菌丝真菌类,含有丰富的多
糖和蛋白质,菌丝壁较厚,在不同的培养基中培养
的菌丝体状态均不相同,需找出可提取高质量 DNA
的菌丝体培养来源,以满足基因组测序和其他分子
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
-2
⭥mV
0 2 4 6 8 10 12ᰦ䰤min14 16 18 20 22 24
图 5 气相检测 ARA 图谱
生物学操作的高标准要求。在真菌菌丝来源方面,
本研究尝试了使用来源为 PDA 固体培养基、PDA 液
体培养基和发酵培养基的菌丝作为实验材料,经反
复证明,PDA 固体培养基和 PDA 液体培养基培养的
菌丝提取的基因组出现部分降解断裂现象,并不适
合用于 DNA 提取,推测是由于 PDA 培养基中含有
马铃薯,不易去除干净,可干扰最终 DNA 的纯度影
响测序结果,并且可能由于 PDA 培养基培养的菌丝
内可降解 DNA 的酶含量较高,或者马铃薯中可降解
高山被孢霉的 DNA 酶难以去除导致最终 DNA 的部
分降解。而使用发酵液培养的菌丝作为原料进行基
因组的提取,可获得符合要求的高质量 DNA,无断
裂降解,且收率较高,可满足包括基因组测序在内
的各类分子生物学操作分析使用。关于真菌的基因
组提取方法,文献中多有报道,一般可采用冷冻研
磨 CTAB 法及试剂盒提取法,所得的总 DNA 纯度和
浓度也较高,较适合分子生物学操作的要求[10]。另
表 3 菌丝破裂处理方法对转录组 RNA 质量的影响比较
菌丝破裂方法 RNA 收率 /(μg . g-1) A260/A230 A260/A280
直接研磨 8.53 2.11 2.21
液氮研磨 +β- 巯基乙醇 136.07 2.18 2.23
表 4 高山被孢霉发酵产量
生物量 /
(g·L-1)
总油脂含量 /
(g·L-1)
ARA 百分
含量 /%
提取用发酵菌丝产量 36.30 12.47 31.88
正常发酵菌丝产量范围 ≥ 35.00 ≥ 9.50 ≥ 30.00
2016,32(7) 39凌瑞等 :高山被孢霉的基因组及转录组的提取技术研究
有文献指出采用微波炉加热法取代液氮研磨以使丝
状真菌破壁,也达到了较好的提取效果[11-13]。
经本研究表明,使用国产试剂盒用于提取高山
被孢霉转录组,方法简易,效率高,蛋白质残留少,
效果稳定,重复性好等优点,经电泳、OD 值、RT-
PCR 三种方法的验证,提取的 RNA 适合于转录组测
序及常规分子生物学分析,在液氮研磨及 β-巯基乙
醇的提取方法中,经证明可增加 RNA 收率在 10-20
倍以上,并且 RNA 无降解。推测可能是由于真菌组
织中含有一定量的酚类化合物,其被氧化后与 RNA
结合,从而导致 RNA 分离困难,β-疏基乙醇的加入
可避免酚类化合物被氧化,进而提高 RNA 的终浓度。
而且,高山被孢霉菌丝体长且细胞壁因几丁质含量
较高,使用常规的普通裂解液很难将壁完全破碎,
因此使用低温速冻的物理学破壁方法配合裂解液才
能达到完全或大部分破壁的目的,提高收率,同时
提取转录组所用菌丝的发酵产量正常,通过新一代
测序技术可以有效确定高山被孢霉发酵期间基因表
达情况。
因不同真菌或植物在细胞壁结构、转录组大小
及酚类等杂质对 RNA 提取的影响,在提取过程中,
对试剂盒的基本方法加以改进已较为普遍。除了本
研究提到的改进方法,另有研究表明在进行葡萄叶
片 RNA 提取时,延长提取试剂与样品的接触时间操
作可以显著提高 RNA 提取纯度[14]。随着转录组的
研究及 RNA-Seq 逐步受到重视,利用新一代测序技
术能够更为快速、准确地为人们提供更多的生物体
转录信息,进而揭示生物体的基因表达、研究结构
变异及发现新基因等[15]。
4 结论
在基因组提取过程中,经本研究对高山被孢霉
3 种培养方式的对比表明,PDA 固体培养基及 PDA
液体培养基培养的高山被孢霉菌丝因出现了部分
DNA 断裂、培养基中的马铃薯对 DNA 样品造成污
染等,提取的 DNA 会影响测序结果的分析及准确性。
与之相反,使用液体发酵液中培养的菌丝提取的高
山被孢霉基因组条带清晰基本无降解,且收率较高,
可用于 DNA 测序分析。在转录组提取过程中,使用
经改进的菌丝前处理方法,即使用快速冷冻物理方
法,并配合 β-巯基乙醇的共同作用,经证明可大大
增加 RNA 收率,且 RNA 降解率非常化纯度高,所
提 RNA 适于测序或其他相关研究。
参 考 文 献
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(责任编辑 狄艳红)