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Effect of Oxytetracycline on the Morphology of Seedling with Witches‘ Broom and DNA Methylation Level of Paulownia tomentosa×P. fortunei

土霉素对豫杂一号泡桐丛枝病幼苗形态和DNA甲基化水平的影响



全 文 :第 ww卷 第 |期
u s s {年 | 月
林 业 科 学
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土霉素对豫杂一号泡桐丛枝病幼苗形态和 ⁄‘„甲基化水平的影响 3
黎 明 翟晓巧 范国强 张变莉 刘 飞
k河南农业大学泡桐研究所 郑州 wxsssul
关键词 } 豫杂一号泡桐 ~丛枝病 ~幼苗形态 ~土霉素 ~⁄‘„甲基化
中图分类号 }≥z|u1wv 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kuss{ls| p stxu p sx
收稿日期 }ussy p s| p u| ∀
基金项目 }国家自然科学基金kvsuzts{u ovsxztw|yl o教育部高等学校博士学科点专项科研基金kussxswyyssvl o河南省杰出青年基金
ksytusst|ssl资助项目 ∀
3 范国强为通讯作者 ∀
Εφφεχτ οφ Οξψτετραχψχλινε ον τηε Μορπηολογψ οφ Σεεδλινγ ωιτη Ωιτχηεσ. Βροοµ
ανδ ∆ΝΑ Μετηψλατιον Λεϖελ οφ Παυλοωνια τοµεντοσα ≅ Πqφορτυνει
¬¬±ª «¤¬÷¬¤²´¬¤² ƒ¤± Š∏²´¬¤±ª «¤±ª…¬¤±¯¬ ¬∏ƒ¨
kΙνστιτυτε οφ Παυλοωνιαo Ηεναν Αγριχυλτυτραλ Υνιϖερσιτψ Ζηενγζηου wxsssul
Αβστραχτ} ׫¨ ©¨©¨¦·¶²©²¬¼·¨·µ¤¦¼¦¯¬±¨ ²±·«¨ °²µ³«²¯²ª¼ ²©·«¨ ¶¨ §¨¯¬±ªº¬·«º¬·¦«¨¶. ¥µ²²° ¤±§ª¯²¥¤¯ ⁄‘„ °¨ ·«¼¯¤·¬²±
¯¨ √¨ ¯²© Παυλοωνια τοµεντοσα ≅ Παυλοωνια φορτυνει º¨ µ¨ ¬±√¨ ¶·¬ª¤·¨§q ׫¨ µ¨¶∏¯·¶¬±§¬¦¤·¨§·«¤··«¨ ¬±©¨¦·¨§¶¨ §¨¯¬±ª¶¥¼
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¶¨ §¨¯¬±ª¶º¤¶ ²¯º¨ µ·«¤±·«¤·²©«¨ ¤¯·«¼ ²±¨ q׫¨ ²¬¼·¨·µ¤¦¼¦¯¬±¨ ·µ¨¤·°¨ ±·º¤¶¤¥¯¨·²¬±¦µ¨¤¶¨ ·«¨ ⁄‘„ °¨ ·«¼¯¤·¬²±¯¨ √¨ ¯o¤±§
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¶¨ §¨¯¬±ª¶·µ¨¤·¨§º¬·«¯¨·«¤¯ ²¬¼·¨·µ¤¦¼¦¯¬±¨ ¦²±¦¨±·µ¤·¬²±q
Κεψ ωορδσ} Παυλοωνιατοµεντοσα≅ Πqφορτυνει ~º¬·¦«¨¶. ¥µ²²° ³¯¤±·¯¨·°²µ³«²¯²ª¼~²¬¼·¨·µ¤¦¼¦¯¬±¨ ~⁄‘„ °¨ ·«¼¯¤·¬²±
植原体是一类寄生于植物细胞内至目前仍不能进行离体培养的微生物 o它可导致世界范围内 tsss余种
植物发生病害k„ªµ¬²¶ot||zl ∀ ⁄²¬等kt|yzl首先发现植原体后 o科技工作者发现利用四环素类抗生素可在一
定程度减轻其给农业 !林业等行业造成的经济损失k任国兰等 ot|{z ~许晓风 ot|{| ~张锐等 ot||v ~李加友 o
t||z ~Œ¶«¬¬¨ ετ αλqot|yz ~ • ²±ª®¤¨ º ετ αλqousswl o但不能从根本上防止病害发生 ∀泡桐k Παυλοωνια ¶³³ql是
我国重要的速生用材树种之一 o对改善我国生态环境具有重要作用 ∀然而 o由于植原体引起的丛枝病 o每年
给我国林业造成了数千万元的直接经济损失 ∀过去 o虽然有人进行过四环素等抗生素与泡桐丛枝病发生关
系的研究k任国兰等 ot|{z ~范国强等 oussz¥~李加友 ot||zl o但至今国内外未见土霉素在泡桐丛枝病发生
方面的报道 ∀因此 o本文用豫杂一号泡桐k Παυλοωνια τοµεντοσα ≅ Πq φορτυνειl丛枝病幼苗为材料 o通过不同浓
度土霉素处理后幼苗形态变化观察 !植原体检测和 ⁄‘„甲基化水平的测定 o研究了土霉素对豫杂一号泡桐
丛枝病幼苗形态和 ⁄‘„甲基化水平的影响 o以期为阐明泡桐丛枝病发生与 ⁄‘„甲基化关系和筛选防治泡
桐丛枝病有效药物奠定基础 ∀
1 材料与方法
t1t 试验材料及处理 试验以河南农业大学泡桐研究所培养 vs §的豫杂一号泡桐健康和丛枝病组培幼苗
为材料 ∀将培养的组培苗从基部剪断 o分别接种到装有 ws °土霉素质量浓度分别为 sk对照 o≤Žl ous ows o
ys o{s otss otxs °ª#pt不含任何植物激素的 tΠu≥培养基的 tss °三角瓶中 o培养基中蔗糖为 ux ª#pt o
琼脂为 { ª#pt ∀每瓶 v个幼芽k外植体l o每浓度处理 us瓶 ∀然后 o在温度kux ? ul ε o光辐射强度 tvs
Λ°²¯#°pu¶p t o光照时间 ty «#§pt的条件下培养 ∀vs §时 o观察记录处理苗木的形态变化情况 o并剪取适量土
霉素处理幼苗顶芽用于 ⁄‘„提取 ∀
t1u 试验方法 tl幼苗形态变化观察 处理结束后 o观察记录幼芽的生根时间 !幼苗新生腋芽情况 !顶端膨
大程度和叶片刚毛生长状况等 ∀ul泡桐丛枝病幼苗 ⁄‘„提取 豫杂一号泡桐丛枝病幼苗 ⁄‘„提取法参照
范国强等kussv¥l ∀vl泡桐丛枝病植原体 °≤• 检测 豫杂一号泡桐丛枝病幼苗植原体 °≤• 扩增法参照范国强
等kussz¥l ∀°≤• 扩增结束后 o取 u ˏ的 °≤• 产物在 t h琼脂糖凝胶k含 s1x h ∞…l上 ws ∂ 电泳 t «o凝胶在
„¯ ³«¤¬°¤ª¨µ× uuss凝胶成像系统中观察 !拍照 ∀每一浓度处理幼苗的 °≤• 检测试验重复 v次 ∀wl幼苗总
⁄‘„甲基化水平测定 将上面提取的适量 ⁄‘„利用 ⁄¨ °¨ ∏¯ °¨¨ ¶¨·¨µ等kt|||l改动方法进行水解 ∀将 xs ˏ的
zs h高氯酸加入盛有 xs ˏk约 ts Λªl 的 ⁄‘„溶液中振荡混匀 o沸水中水解 ys °¬±后 o用适量 x °²¯#pt的
Ž’‹调溶液 ³‹值至 v ∗ x otu sss ≅ ª室温离心 ts °¬±o取上清液 ts ˏ在 • ¤·¨µ¶高效液相色谱仪上kyss型
泵 oztz自动进样器l测定 ∀色谱柱为 ׫¨µ°² ‹¼³¨µ¶¬¯ …⁄≥ ≤t{kuxs °° ≅ w1y °° ox Λ°l o柱温 vs ε ~流动相为
甲醇 !ts °°²¯#pt的戊烷磺酸钠溶液和三乙胺 o三者体积比为 tsΒ|sΒs1u o用适量磷酸调 ³‹至 v ∗ x o流速为
s1x °#°¬±pt o紫外检测器为 • ¤·¨µ¶uw{z o检测波长 uzv ±°∀通过标准样品胞嘧啶和 x p甲基胞嘧啶k≥¬ª°¤l
的标准曲线计算出样品中胞嘧啶和 x p甲基胞嘧啶的质量 o计算总 ⁄‘„甲基化水平≈x p甲基胞嘧啶质量Π
k胞嘧啶质量 n x p甲基胞嘧啶质量l ≅ tss h   ∀
图 t 土霉素处理后豫杂一号泡桐幼苗的形态变化
ƒ¬ªqt ׫¨ °²µ³«²¯²ª¬¦¤¯ ¦«¤±ª¨¶²©·«¨ ¶¨ §¨¯¬±ª¶·µ¨¤·¨§º¬·«§¬©©¨µ¨±·¦²±¦¨µ±·µ¤·¬²±¶²©²¬¼·¨·µ¤¦¼¦¯¬±¨
„ q病苗 ⁄¬¶¨¤¶¨§¶¨ §¨¯¬±ª¶ks °ª#ptl ~…qus °ª#pt处理的病苗 ⁄¬¶¨¤¶¨§¶¨ §¨¯¬±ª¶·µ¨¤·¨§º¬·«us °ª#pt ~
≤ qws °ª#pt处理的病苗 ⁄¬¶¨¤¶¨§¶¨ §¨¯¬±ª¶·µ¨¤·¨§º¬·«ws °ª#pt ~⁄qys °ª#pt处理的病苗 ⁄¬¶¨¤¶¨§¶¨ §¨¯¬±ª¶
·µ¨¤·¨§º¬·«ys °ª#pt ~∞q健苗 ‹ ¤¨¯·«¼ ¶¨ §¨¯¬±ª¶ks °ª#ptl ~ƒ qus °ª#pt处理的健苗 ‹ ¤¨¯·«¼ ¶¨ §¨¯¬±ª¶
·µ¨¤·¨§º¬·«us °ª#pt ~Š qws °ª#pt处理的健苗 ‹ ¤¨¯·«¼ ¶¨ §¨¯¬±ª¶·µ¨¤·¨§º¬·«ws °ª#pt ~
‹ qys °ª#pt处理的健苗 ‹ ¤¨¯·«¼ ¶¨ §¨¯¬±ª¶·µ¨¤·¨§º¬·«ys °ª#pt
2 结果与分析
u1t 土霉素对豫杂一号泡桐丛枝病幼苗形态变化的影响 不同浓度土霉素处理对豫杂一号泡桐丛枝病幼
苗形态变化的影响结果k表 t !图 tl表明 o土霉素对豫杂一号泡桐丛枝病发生具有一定的抑制作用 ∀当土霉
素浓度为 us °ª#pt时 o处理后的丛枝病幼苗无腋芽萌发 o新生叶片密披刚毛 !叶色淡绿 o节间稍长 o呈现健康
幼苗形态 ∀当土霉素浓度为 ws ∗ ys °ª#pt时 o虽然处理病苗的叶片变大 !披刚毛 o但叶色逐渐变黄 !生长量
逐渐下降 ∀此外 o随着土霉素浓度的增大 o处理丛枝病幼芽生根数量逐渐减少 o并且生出第 t条根的时间逐
渐推迟 o直至当浓度为 {s °ª#pt时 o幼芽不能生根 ∀对豫杂一号泡桐健康幼苗来说 o随着土霉素浓度的增大 o
处理幼芽生根数量逐渐减少 !第 t条根出现的时间推迟 o幼苗生长量明显下降 ∀当土霉素浓度为 ys °ª#pt时 o
vxt 第 |期 黎 明等 }土霉素对豫杂一号泡桐丛枝病幼苗形态和 ⁄‘„甲基化水平的影响
图 u 土霉素处理后患病幼苗植原体 ty≥ µ• ‘„的 °≤• 扩增
ƒ¬ªqu °≤• ²©³«¼·²³¯¤¶°¤¶ty≥ µ• ‘„ ¬±·«¨ ¯¨ ¤√ ¶¨
º¬·« º¬¦«¨¶. ¥µ²²°
 q⁄‘„ ¤µ®¨µ~t1 s °ª#pt ~u1 us °ª#pt ~
v1 ws °ª#pt ~w1 ys °ª#pt q
处理幼苗叶片呈披针形 o节间明显缩短 ∀当土霉素浓度等
于或大于{s °ª#pt时 o因毒害作用 o处理幼苗全部死亡 ∀
该结果说明 o土霉素可使丛枝病幼苗形态呈现健康状态 o但
抑制了幼苗的生长量直至幼苗死亡 ∀造成该结果的原因可
能与土霉素在抑制泡桐植原体生长 !分裂的同时 o也抑制了
泡桐本身生长涉及的一系列生理生化过程中蛋白质的合成
有一定的关系 ∀
u1u 土霉素处理后豫杂一号泡桐丛枝病幼苗内植原体
°≤• 检测 土霉素对豫杂一号泡桐丛枝病幼苗植原体的
°≤• 检测k图 ul表明 o土霉素对泡桐丛枝病植原体产生了抑
制作用 ∀当用浓度大于 us °ª#pt土霉素处理时 o幼苗顶芽
扩增不出分子量为 t1u Ž¥的泡桐丛枝病植原体特异的
⁄‘„条带 ∀这表明 o在试验所用的土霉素浓度处理豫杂一
号泡桐丛枝病幼苗后 o新生顶芽内没有植原体的存在 ∀结
合前面土霉素对豫杂一号泡桐丛枝病幼苗形态影响的结果
可以得出 o适宜浓度土霉素处理可抑制患病幼苗体内植原
体的繁殖和生长 o从而使幼苗呈现健康状态 ∀
表 1 土霉素对豫杂一号泡桐组培幼苗形态变化的影响 ≠
Ταβ .1 Εφφεχτσ οφ οξψτετραχψχλινε ον µ ορπηολογιχαλ χηανγεσ οφ τηε πλαντλετσ ωιτη ωιτχηεσ. βροοµ
幼苗类别
×¼³¨
浓度
≤²±¦¨±·µ¤·¬²±Π
k°ª#ptl
生根数量
•²²·¬±ª
±∏°¥¨µ¶
生第 t条根时间
׫¨ ·¬°¨²©·«¨
©¬µ¶·µ²²·¬±ªΠ§
新生腋芽
„¬¬¯¯¤µ¼
¥∏§¶
新生叶片及节间变化
¨¤√¨ ¶¤±§¬±·¨µ±²§¨¶
顶芽生长
× µ¨°¬±¤¯ ¥∏§
ªµ²º·«
s x tu 有≠ ¶¨
叶小 !无刚毛 !节间短
≥°¤¯¯¯¨ ¤© º¬·«²∏·¶¨·¤¤±§¶«²µ·¬±·¨µ±²§¨¶
膨大
∞¬³¤±§¨§
us v tw 无‘²±¨
叶片绿色 !有刚毛 !节间增长
Šµ¨ ±¨ ¯¨ ¤© º¬·«¶¨·¤o¶¯¬ª«·¯¼ ²¯±ª¬±·¨µ±²§¨¶
正常
‘²µ°¤¯
病苗
Œ±©¨¦·¨§
¶¨ §¨¯¬±ª¶
ws t tx 无‘²±¨
叶片淡绿 !有刚毛 !节间正常
¬ª«·ªµ¨ ±¨ ¯¨ ¤© º¬·«¶¨·¤¤±§±²µ°¤¯ ¬±·¨µ±²§¨¶
正常
‘²µ°¤¯
ys t ux 无‘²±¨
叶片变白 !有刚毛 !节间正常
• «¬·¨ ¯¨ ¤© º¬·«¶¨·¤¤±§±²µ°¤¯ ¬±·¨µ±²§¨¶
正常
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{s s 3 3 3 幼芽死亡≥«²²·§¨¤§
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txs s 3 3 3 幼芽死亡≥«²²·§¨¤§
s x tv 无‘²±¨
叶片绿色 !有刚毛 !节间正常
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正常
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叶片深绿 !有刚毛 !节间变长
⁄¤µ®ªµ¨ ±¨ ¯¨ ¤© º¬·«¶¨·¤¤±§ ²¯±ª¨µ¬±·¨µ±²§¨¶
正常
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健苗
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叶片绿色 !有刚毛 !节间正常
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叶片披针形 !有刚毛 !节间变短
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≠ 3 表示幼芽死亡  ¤¨±·¶«²²·§¨¤·«q
u1v 土霉素对豫杂一号泡桐丛枝病幼苗总 ⁄‘„甲基化水平的影响 土霉素对豫杂一号泡桐丛枝病幼苗总
⁄‘„甲基化水平变化影响结果k图 vl表明 o土霉素可提高处理幼苗叶片总 ⁄‘„的甲基化水平 ∀当土霉素浓
wxt 林 业 科 学 ww卷
图 v 土霉素对豫杂一号泡桐幼苗 ⁄‘„
甲基化水平的影响
ƒ¬ªqv ∞©©¨¦·²©²¬¼·¨·µ¤¦¼¦¯¬±¨ ²± ⁄‘„ ° ·¨«¼¯¤·¬²±
¯¨ √¨ ¯²©·«¨ ¶¨ §¨¯¬±ª¶
度为 s时 o健康幼苗顶芽总 ⁄‘„甲基化水平是病苗顶芽总
⁄‘„甲基化水平的 |倍 o明显高于病苗顶芽的水平 ∀随着
处理土霉素浓度的增大 o处理丛枝病和健康幼苗顶芽总
⁄‘„甲基化水平均呈现逐渐升高的趋势 o但 ⁄‘„甲基化水
平升高的幅度则有一定的差异 ∀这可能与健康幼苗的 ⁄‘„
甲基化饱和度有一定的关系 ∀当土霉素浓度等于或大于
{s °ª#pt时 o由于丛枝病和健康与杂一号泡桐幼苗死亡 o
所以未测定其总 ⁄‘„甲基化水平 ∀此外 o即使土霉素浓度
达到 ys °ª#pt时 o处理丛枝病幼苗顶芽总 ⁄‘„ 甲基化水
平也没有达到健康k对照l幼苗的水平 ∀结合土霉素对豫杂
一号泡桐丛枝病幼苗形态变化影响和幼苗植原体 °≤• 检测
结果可以得出 o该浓度土霉素处理丛枝病幼苗后 o泡桐总
⁄‘„甲基化水平升高 o病苗表达的部分基因被迫关闭 o此时幼苗呈现健康状态 ∀
3 讨论
植原体是一类寄生于植物细胞内的无细胞壁 !目前仍不能进行体外培养的微生物k„ªµ¬²¶ot||zl ∀当植
原体侵入寄主细胞后就会导致其生长发育异常 o出现不同的丛枝症状 ∀因此 o杀死植原体可减轻丛枝病症或
本从根本上防治丛枝病的发生 ∀过去人们常用四环素类抗生素防治泡桐丛枝病的发生 o但效果皆不理想 ∀
本试验发现 ous °ª#pt土霉素处理的丛枝病幼苗就呈现健康幼苗状态 o并且用 °≤• 检测不到植原体的存在 ∀
这可能与四环素类抗生素对植原体蛋白质合成抑制作用特异性差 !而土霉素特异性较强有关k周启等 ot||{ ~
• ²±ª®¤¨ º ετ αλqousswl ∀植原体侵染泡桐后可引起寄主发生形态和一系列的生理生化变化k范国强等 o
t||z ~ussz¤~ussz¥~uss{ ~金开旋等 ot|{| ~巨关升等 ot||y ~宋晓斌等 ot||z ~田国忠等 ot||| ~王蕤等 ot|{t ~
袁巧平等 ot||w ~张春立等 ot||w ~朱澄等 ot||tl o但没有改变与泡桐丛枝病发生相关基因的碱基序列k范国
强等 oussv¤~ussz¥l ∀由此可知 o植原体的侵入导致了寄主细胞 ⁄‘„发生了共价修饰作用 o即植原体在利用
寄主活体细胞生长和增殖同时 o产生的代谢物质使寄主细胞 ⁄‘„去甲基化 o降低 ⁄‘„甲基化水平kŠ∏¶¨¬±²√
ετ αλqot|zxl o引起染色体结构发生变化 o使本应处于沉默状态的分枝基因和细胞分裂素基因开始或过量表
达表达k•∏¬½ ετ αλqoussyl o从而使健康幼苗呈丛枝病症状 ∀当用半衰期和作用位点不同的土霉素 !四环素和
利福平等抗生素处理患病植株时 o这些抗生素可在一定程度上可抑制植原体的分裂 !生长或清除其存在 o减
少或停止其代谢物质对寄主细胞 ⁄‘„结构的影响k • ²±ª®¤¨ º ετ αλqousswl o提高寄主细胞 ⁄‘„甲基化水平 o
使病苗细胞染色质结构部分或全部恢复到健康幼苗细胞的状态 o从而部分或全部关闭原来过量表达的相关
基因 ∀由于不同抗生素对植原体作用效果的差异 o造成寄主细胞 ⁄‘„甲基化水平和基因表达的差异 o最终
出现防治效果的不同 ∀当抗生素浓度和用量适宜时 o丛枝病幼苗内植原体完全被杀死 o寄主细胞不存在降低
⁄‘„甲基化的代谢物质 o原来过量表达的相关基因由于发生甲基化而关闭 o染色体结构恢复到正常状态 o植
物又重新开始健康 !正常生长 ∀至于抗生素清除病苗内植原体后 o其细胞 ⁄‘„甲基化水平仍低于健康幼苗
的原因还有待于进一步研究 ∀
参 考 文 献
范国强 o蒋建平 qt||z1 泡桐丛枝病的发生与叶片蛋白质氨基酸变化关系的研究 q林业科学研究 otskyl }xzs p xzv q
范国强 o李 有 o郑建伟 o等 qussv¤q泡桐丛枝病发生相关蛋白质的电泳分析 q林业科学 ov|kul }tt| p tuu q
范国强 o马新业 qussv¥q泡桐叶片 ⁄‘„提取 q河南科学 outkul }tzu p tzx q
范国强 o张变莉 o翟晓巧 o等 qussz¤q利福平对泡桐丛枝病幼苗形态和内源植物激素变化的影响 q河南农业大学学报 owtkwl }vzu p vzy q
范国强 o张 胜 o翟晓巧 o等 qussz¥q抗生素对泡桐植原体和发病相关蛋白质的影响 q林业科学 owvkvl }tv{ p twu q
范国强 o曾 辉 o翟晓巧 quss{1 泡桐丛枝病发生特异相关蛋白质亚细胞定位及质谱鉴定 q林业科学 owwkwl }{v p {y q
金开璇 o田国忠 qt|{|1 组织化学技术快速检测泡桐丛枝病研究 q植物学报 ot|kvsl }t{x p t{| q
巨关升 o王 蕤 o周银莲 o等 qt||y1 泡桐丛枝病的抗性与维生素 ≤关系的研究 q林业科学研究 o| }wvt p wvw q
李加友 qt||z1 抗生素对组培条件下植物枝原体作用的初探 q南京农专学报 otvkwl }ux p vt q
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田国忠 o张锡津 o罗 飞 o等 qt|||1 抗病和感病泡桐无性系组培苗对嫁接传染植原体的不同反应 q林业科学 ovxkwl }vw p v| q
许晓风 qt|{|1 土霉素对桑树黄化萎缩病治疗机理的探讨 q植物保护学报 otykul }{z p |u q
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⁄²¬≠ o× µ¨¤±¤®¤  o≠²µ¤Žo ετ αλqt|yz1 ¼¦²³¯¤¶°¤²µ°× ªµ²∏³2¯¬®¨ °¬¦µ²²µª¤±¬¶°¶©²∏±§¬± ³«¯²¨ ° ¨¯ °¨ ±¨·¶²©³¯¤±·¶¬±©¨¦·¨§º¬·«°∏¯¥¨µµ¼ §º¤µ©o³²·¤·²
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Š∏¶¨¬±²√ ∂ „ oŽ¬µ¼¤±²√ Š Œo ∂¤±¼∏¶«¬± … ƒ qt|zx1 Œ±·µ¤ª¨ ±²° §¬¶·µ¬¥∏·¬²± ²©x2° ·¨«¼¯¦¼·²¶¬±¨ ¬± ⁄‘„ ²©«¨ ¤¯·«¼ ¤±§ º¬¯·2¬±©¨¦·¨§¦²·²± ³¯¤±·¶k Γοσσψπιυµ
ηιρσυτυµ l q ²¯ ¦¨∏¯¤µ…¬²¯²ª¼ • ³¨²µ·¶ou }x| p yv q
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