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Establishment and Application of SCoT Molecular Marker System for Citrus

柑橘SCoT分子标记技术体系的建立及其在遗传分析中的应用



全 文 :园 艺 学 报 2011,38(7):1243–1250 http: // www. ahs. ac. cn
Acta Horticulturae Sinica E-mail: yuanyixuebao@126.com
收稿日期:2011–01–25;修回日期:2011–06–08
基金项目:中央高校基本科研业务费专项(XDJK2009C125);西南大学研究生科技创新基金项目(kb2010011);重庆市重大科技专项
(CSTC,2007AB1039,2007AB1040)
* 通信作者 Author for correspondence(E-mail:lianggl@swu.edu.cn;xiangsq@swu.edu.cn)
柑橘 SCoT 分子标记技术体系的建立及其在遗
传分析中的应用
韩国辉 1,向素琼 1,*,汪卫星 1,贾志刚 1,洪棋斌 2,梁国鲁 1,*
(1 西南大学南方山地园艺学教育部重点实验室,重庆 400715;2 中国农业科学院柑桔研究所,重庆 400712)
摘 要:采用正交设计方法,对影响柑橘 SCoT-PCR 反应的 Mg2+、dNTPs、引物、Taq DNA 聚合酶
及模板 DNA 用量等因素进行优化,建立了适于柑橘的 SCoT 标记分析体系。20 μL 反应体系中含有:Mg2+
1.5 mmol · L-1,dNTPs 0.35 mmol · L-1,引物 0.625 μmol · L-1,TaqDNA 聚合酶 0.25 U,模板 DNA 10 ng。
最适退火温度为 49 ℃。利用该体系对 Wan2 橘橙 × Li2 甜橙的杂交后代及沙田柚四倍体进行分析,扩增
条带清晰,扩增产物在 150 ~ 2 100 bp 之间。7 个引物在 Wan2 橘橙、Li2 甜橙及其 18 株杂交后代中共扩
增出 74 条带,多态性条带 48 条,多态性比率为 64.9%,在相似系数 0.85 处,18 株杂交后代可聚为 5 类,
表明其具有较丰富的遗传多样性;11 个引物在 4 株沙田柚四倍体及其二倍体亲本中共扩增出 84 条带,其
中多态性条带 46 条,多态性比率为 54.8%,聚类分析显示 5 株沙田柚遗传相似系数在 0.785 ~ 0.880,在
相似性系数 0.825 处可分为 3 类,3 株同源四倍体分别聚在不同的位置,四倍体材料均发生了不同程度的
遗传变异。研究结果表明建立的柑橘 SCoT 体系结果稳定,重复性好,可为柑橘遗传育种提供新的技术支
持。
关键词:柑橘;目标起始密码子多态性(SCoT);遗传分析;多倍体
中图分类号:S 666 文献标识码:A 文章编号:0513-353X(2011)07-1243-08

Establishment and Application of SCoT Molecular Marker System for Citrus
HAN Guo-hui1,XIANG Su-qiong1,*,WANG Wei-xing1,JIA Zhi-gang1,HONG Qi-bin2,and LIANG Guo-lu1,*
(1Key Laboratory of Horticulture Science for Southern Mountainous Regions,Ministry of Education,Southwest
University,Chongqing 400715,China;2Citrus Research Institute,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Chongqing
400712,China)
Abstract:Orthogonal design was applied to optimize SCoT-PCR amplification system of Citrus in
five factors such as Mg2+,dNTPs,primer,Taq DNA polymerase and template DNA. An optimal reaction
system of Citrus was established,PCR reaction mixtures contained Mg2+ 1.5 mmol · L-1,dNTPs 0.35
mmol · L-1,primers 0.625 μmol · L-1,Taq polymerase 0.25 U,template DNA 10 ng. The most suitable
annealing temperature of primers was 49 ℃. Amplifications and genetic analysis were carried out on four
tetraploids of Shatianyou pomelo [Citrus grandis(L.)Osb.‘Shatianyou’]and progenies from Wan2
[tangor,Citrus unshiu(Mark.)Marc. × Citrus sinensis(L.)Osb.] × Li2[sweet orange,Citrus sinensis
(L.)Osb.]. The size range was typically between 150–2 100 bp. The 7 primers generated a total of 74

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fragments from Wan2,Li2 and their progenies,48(64.9%)were polymorphic,and 18 progenies could
be grouped into five distinct families based on similarity of 0.85,which indicated that greater genetic
diversity was existence in the hybrids. And 84 bands were amplified from Shatianyou pomelo with 11
primers,of which 46(54.8%)were polymorphic. UPGMA cluster analysis showed that the similarity
coefficient of five accessions ranged from 0.785 to 0.880. Four tetraploids could be grouped into three
distinct families based on similarity of 0.825,and three homologous tetraploids were clustered in different
locations,which showed that different degrees of genome variation was detected in tetraploids compared
with the diploid. The SCoT system established in this report is useful for genetic diversity analysis of
Citrus,which possesses considerable potential for citrus breeding.
Key words:Citrus;start codon targeted polymorphism;genetic analysis;polyploid

目标起始密码子多态性(start codon targeted polymorphism,SCoT)标记是 Collard 和 Mackill
(2009)从水稻上提出的一种基于单引物扩增反应(single primer amplification reaction,SPAR)的
新型分子标记,是一种新的目的基因分子标记,其原理是根据植物基因中的 ATG 翻译起始位点侧翼
序列的保守性,设计单引物并对基因组进行扩增,产生偏向候选功能基因区显性多态性标记,并且
操作简单,多态性丰富,已成功用于龙眼、杧果等园艺植物(陈虎 等,2010;Luo et al.,2010)。
柑橘杂交育种一直是培育新品种的重要途径,而且多倍体育种也越来越受到重视(邓秀新,
2005)。利用与性状关联的分子标记对获得的杂交后代和多倍体育种材料进行遗传背景分析则可以高
效辅助育种。为此,作者以柑橘为试材建立适宜的 SCoT 标记技术体系,并将该体系用于柑橘杂交
群体及多倍体的遗传分析,以期为柑橘遗传多样性和亲缘关系研究、分子辅助育种及遗传图谱构建
等提供新的技术支持。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验材料为 Wan2 橘橙[Citrus unshiu(Mark.)Marc. × Citrus sinensis(L.)Osb.]、Li2 甜橙[Citrus
sinensis(L.)Osb.]及其 18 株杂交后代,3 株沙田柚[Citrus grandis(L.)Osb.‘Shatianyou’]同源
四倍体(分别以 A4x1、A4x2、A4x3 表示),1 株天然四倍体(以 N4x 表示)以及二倍体沙田柚母本
(以 P2x 表示)。多倍体材料为本实验室选育获得(向素琼 等,2008,2009)。以上材料分别保存
于国家果树种质重庆柑橘圃和重庆市果树学重点实验室。2010 年 4 月采摘幼嫩叶片,低温保存带回
实验室,提取 DNA。36 个 SCoT 引物序列均参照 Collard 和 Mackill(2009),由上海生工生物工程
有限公司合成。DL2000 marker,dNTPs,Taq DNA 聚合酶,10 × Buffer 等均购自宝生物工程(大连)
有限公司。
1.2 DNA 的提取与 SCoT-PCR 扩增
叶片 DNA 的提取参考熊光明等(2002)的改良 CTAB 法并加以改进:在 65 ℃水浴保温之前加
入 30 μL 蛋白酶(10 mg · mL-1),将氯仿︰异戊醇(24︰1)抽提时的离心转速提高到 10 000 r · min-1。
PCR 扩增反应在 eppendorf Mastercycler PCR 扩增仪上进行:94 ℃预变性 4 min;94 ℃变性 1 min,49
℃退火 1 min,72 ℃延伸 2 min,循环 36 次;72 ℃延伸 10 min。扩增反应结束后,加入 2 μL 6 × loading
buffer,取 8 ~ 10 μL 扩增产物在 1.5%琼脂糖凝胶中电泳,紫外灯下照相。
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1.3 SCoT-PCR 体系的正交优化设计和退火温度筛选
选用 L25(56)正交表。正交试验设计见表 1,用 Wan2 橘橙品种 DNA 为模板,SP9 为扩增引
物,每个处理重复 2 次。各处理总体积为 20 μL,每个处理的 10 × Buffer 用量均为 2 μL,用 ddH2O 补足。
根据正交试验结果选择最佳反应体系对退火温度进行梯度试验,设定了 12 个温度梯度:45.0、
45.1、45.7、46.6、47.7、49.0、50.4、51.8、53.0、54.1、55.0、55.4 ℃。除退火温度不同外,反应
程序与正交试验设计相同。
1.4 数据统计与处理
对扩增清晰且易于辨认的条带采用“0-1”系统记录其位置,在相同迁移位置有带的记为“1”,
无带记为“0”,建立 SCoT 标记的 0、1 矩阵。利用 NTSYS-pc2.1 软件,按 UPGMA 方法进行聚类分析。
2 结果与分析
2.1 柑橘 SCoT-PCR 反应体系的建立
正交试验 25 个组合的 PCR 产物均能扩增出条带,组合 2 扩增条带最少,只有两条带,组合 15
条带最多且最清晰(图 1)。根据桂腾琴等(2009)的方法对 PCR 结果依次打分,条带数量多、清
晰且稳定的最佳产物记 25 分,最差的记 1 分。根据打分结果对其进行直观分析,由于极差(R 值)
的大小反映了各因素对反应体系影响的大小,因此,由表 1 结果得出正交设计中所涉及的 5 个因素
对 SCoT-PCR 反应体系的影响从大到小为:dNTPs,Mg2+,引物浓度,DNA 模板,Taq 酶。
表 1 SCoT-PCR 体系 L25(56)正交试验结果
Table 1 Orthogonal design for SCoT-PCR[L25(56)]
处理组合
Treatment No.
Mg2+/(mmol · L-1) dNTP/(mmol · L-1) Taq/U 引物浓度/(μmol · L
-1)
Primer concentration
DNA/ng
得分结果
Scoring results
1 0.75(1) 0.05(1) 0.25(1) 0.250(1) 10(1) 2
2 0.75(1) 0.15(2) 0.50(2) 0.375(2) 20(2) 1
3 0.75(1) 0.20(3) 1.00(3) 0.500(3) 30(3) 6
4 0.75(1) 0.25(4) 1.50(4) 0.625(4) 40(4) 16
5 0.75(1) 0.35(5) 2.00(5) 0.750(5) 50(5) 15
6 1.25(2) 0.05(1) 0.50(2) 0.500(3) 40(4) 11
7 1.25(2) 0.15(2) 1.00(3) 0.625(4) 50(5) 19
8 1.25(2) 0.20(3) 1.50(4) 0.750(5) 10(1) 18
9 1.25(2) 0.25(4) 2.00(5) 0.250(1) 20(2) 7
10 1.25(2) 0.35(5) 0.25(1) 0.375(2) 30(3) 22
11 1.50(3) 0.05(1) 1.00(3) 0.750(5) 20(2) 4
12 1.50(3) 0.15(2) 1.50(4) 0.250(1) 30(3) 9
13 1.50(3) 0.20(3) 2.00(5) 0.375(2) 40(4) 23
14 1.50(3) 0.25(4) 0.25(1) 0.500(3) 50(5) 24
15 1.50(3) 0.35(5) 0.50(2) 0.625(4) 10(1) 25
16 1.75(4) 0.05(1) 1.50(4) 0.375(2) 50(5) 5
17 1.75(4) 0.15(2) 2.00(5) 0.500(3) 10(1) 12
18 1.75(4) 0.20(3) 0.25(1) 0.625(4) 20(2) 14
19 1.75(4) 0.25(4) 0.50(2) 0.750(5) 30(3) 20
20 1.75(4) 0.35(5) 1.00(3) 0.250(1) 40(4) 8
21 2.25(5) 0.05(1) 2.00(5) 0.625(4) 30(3) 3
22 2.25(5) 0.15(2) 0.25(1) 0.750(5) 40(4) 13
23 2.25(5) 0.20(3) 0.50(2) 0.250(1) 50(5) 10
24 2.25(5) 0.25(4) 1.00(3) 0.375(2) 10(1) 17
25 2.25(5) 0.35(5) 1.50(4) 0.500(3) 20(2) 21
k1 8.0 5.0 15.0 7.2 14.8
k2 15.4 10.8 13.4 13.6 9.4
k3 17.0 14.2 10.8 14.8 12.0
k4 11.8 16.8 13.8 15.4 14.2
k5 12.8 18.2 12.0 14.0 14.6
R 9.0 13.2 4.2 8.2 5.4
注:k1 ~ k5 :各因素水平下的得分数据平均值;R :极差。
Note:k1–k5 :Mean of score in five factors;R :Range.
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图 1 正交试验 PCR 产物电泳结果
M:DL2000 marker;1 ~ 25:处理编号同表 1。
Fig. 1 Electrophoresis of orthogonal design PCR products
M:DL2000 marker;1–25:Treatment No.are same as table 1.
根据各因素水平下的得分数据平均值 ki 可以确定各个因素的最适浓度(得分最高)。由表 1 中
的 ki 值可以初步确定 5 个因素的最适用量分别为:Mg2+ 1.5 mmol · L-1,dNTPs 0.35 mmol · L-1,引物
0.625 μmol · L-1,Taq 酶 0.25 U,模板 DNA 10 ng。这个体系与组合 15 最为接近,只是 Taq 酶用量
有所不同。根据组合 14 的扩增效果并结合经济角度考虑,选择 0.25 U 作为 Taq 酶的最佳用量。因
此建立的柑橘 SCoT-PCR 反应体系为:Mg2+ 1.5 mmol · L-1,dNTPs 0.35 mmol · L-1,引物 0.625
μmol · L-1,Taq 酶 0.25 U,模板 DNA 10 ng,总反应体积为 20 μL。
2.2 退火温度的确定
利用优化的 SCoT 体系进行退火温度的筛选,由图 2 可以看出当退火温度低于 45.7 ℃时,没有
扩增条带或条带弱且少,温度为 49.0 ℃时条带多且清晰,此后随着退火温度的升高特异性增强,条
带减少,由于 SCoT 的引物较短,温度过高可能会影响其扩增效果,所以确定引物 SP9 的最佳退火
温度为 49.0 ℃。利用 49.0 ℃对 34 个不同引物进行了扩增,证明 49.0 ℃可以作为柑橘 SCoT 标
记的统一退火温度。




2.3 Wan2、Li2 及其杂交后代的 SCoT 分析
应用建立的 SCoT 技术体系对 Wan2、Li2 及其 18 株杂交后代进行 PCR 扩增和电泳检测(图 3)。
结果显示扩增条带清晰,扩增产物在 150 ~ 2 100 bp 之间。7 条引物共扩增出 74 条带,其中多态性
条带 48 条,多态性比率为 64.9%,SP12 的多态率最高,达到 92.9%,并且在杂交后代植株中出现
了非双亲新位点和亲本位点的缺失。聚类结果(图 4)显示,在相似系数为 0.85 处,20 株材料可以
分为 6 类,13 株杂种后代与母本聚为一大类,此大类在 0.867 处又可分为两小类;其余 5 株和父本
分别聚为 5 类,表明杂交后代出现了不同程度的遗传变异,表现出了较丰富的遗传多样性,说明建
立的 SCoT 体系结果稳定,重复性好,适合柑橘的遗传分析及遗传作图。
图 2 退火温度对柑橘 SCoT-PCR 反应的影响
M:DL2000 marker;1 ~ 12:45.0、45.1、45.7、46.6、47.7、49.0、50.4、51.8、53.0、54.1、55.0 和 55.4 ℃。
Fig. 2 The effects of annealing temperature on SCoT amplification
M:DL2000 marker;1–12:45.0,45.1,45.7,46.6,47.7,49.0,50.4,51.8,53.0,54.1,55.0 and 55.4 ℃.
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2.4 沙田柚四倍体 SCoT 多态性与遗传差异分析
利用建立的 SCoT 技术体系对 4 株沙田柚四倍体及其二倍体亲本进行分析。11 条引物共扩增 84
条带,扩增条带在 200 ~ 2 100 bp 之间,平均每个引物扩增 7.6 条带,其中多态性带 46 条,多态性
比率为 54.8%。与二倍体母本相比,这些四倍体材料均发生了较大的遗传变异,而且 3 个同源四倍
体之间及同源四倍体与天然四倍体之间也出现了较大的遗传差异。这些相对于亲本的遗传变异主要
表现为两种形式,即条带的增加或缺失,在不同的引物下,新增或缺失条带出现的方式不同,有些
四倍体单株表现为条带的增加或缺失,而有些则表现为同时具有条带的增加和缺失现象(表 2)。引
物 SP12 在 N4x 扩增出了能区别其它同源四倍体和二倍体母本的特征带,SP23 在 A4x1 中具有特征
带,SP31 则可以将 A4x2 与其它材料区分,这 3 个引物扩增的特异片段大小分别约为:800、1 000
和 2 000 bp(图 5)。
图 3 引物 SP21(上)和 SP12(下)对 Wan2 和 Li2 及其杂交后代的扩增图谱
M:DL2000 marker;1:Wan2;2:Li2;3 ~ 20:Wan2 × Li2 的杂交后代。
Fig. 3 Amplification profiles of hybrids of and their parents by primer SP21(up)and SP12(down)
M:DL2000 marker;1:Wan2;2:Li2;3–20:F1 seedlings from Wan2 × Li2.
图 4 Wan2 × Li2 杂交亲本与后代遗传关系的聚类图
Fig. 4 Dendrograms of parents and progenies of Wan2 × Li2
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表 2 适于沙田柚多倍体分析的 SCoT 引物序列和扩增结果
Table 2 The sequences of ScoT primers and amplified results for‘Shatianyou’polyploids
多倍体植株位点变化
Alleles variation of tetraploids
扩增位点
Alleles amplified 引物名称
Primer
name
引物序列(5′–3′)
Primer sequences(5′–3′)
N4x A4x1 A4x2 A4x3
等位位点数
Number. of alleles
多态性位点数
Number. of
polymorphic alleles
多态性比率/%
Ratio of polymorphic
alleles
SP8 CAACAATGGCTACCACGT ﹣ ﹣ ﹣ 6 2 33.3
SP9 CAACAATGGCTACCAGCA +﹣ ﹣ ﹣ 6 3 50.0
SP12 ACGACATGGCGACCAACG +﹣ +﹣ + + 10 4 40.0
SP13 ACGACATGGCGACCATCG +﹣ + + + 9 6 66.7
SP18 ACCATGGCTACCACCGCC + + + + 6 4 66.7
SP21 ACGACATGGCGACCCACA +﹣ +﹣ +﹣ + 11 7 63.6
SP22 AACCATGGCTACCACCAC + +﹣ + 7 3 42.9
SP23 CACCATGGCTACCACCAG +﹣ + + + 8 4 50.0
SP25 ACCATGGCTACCACCGGG +﹣ ﹣ 6 3 50.0
SP30 CCATGGCTACCACCGGCG +﹣ + ﹣ + 8 6 75.0
SP31 CCATGGCTACCACCGCCT +﹣ +﹣ +﹣ 7 4 57.1
总计Total 84 46 54.8
注:+ :相对于二倍体母本出现新增位点;﹣:位点的缺失;+﹣:同时出现位点的增加和缺失;下划线表示起始密码子。
Note:+ :New markers present in tetraploids;﹣:Markers absent in tetraploids;+﹣:Both have + and﹣;Underline means start codon.


图 5 部分 SCoT 引物对沙田柚的扩增图谱
M:DL2000 marker;1:P2x;2:N4x;3:A4x1;4:A4x2;5:A4x3;箭头指示新增或缺失特异位点。
Fig. 5 Amplification profiles of Shatianyou generated by some SCoT primers
M:DL2000 marker;1:P2x;2:N4x;3:A4x1;4:A4x2;5:A4x3;Arrows indicate add or lost marker.

聚类结果(图 6)显示,在相似性系数为 0.825 处,5 株材料可以分为 3 类:同源四倍体 A4x3
和二倍体母本 P2x 聚在一起,A4x1 单独聚为一类,而同源四倍体 A4x2 则和天然四倍体 N4x 聚在一
起。其中同源四倍体 A4x3 与二倍体母本相似性系数最大,为 0.877,说明其发生的遗传变异最小。
而 A4x2 与天然四倍体 N4x 相似性系数较高,为 0.861,它们都与二倍体母本拥有较大的遗传距离,
说明它们相对于二倍体亲本都出现了较大的遗传变异。3 株同源四倍体并未聚为一类,而是聚在了 3
个不同的位置,表明它们之间存在遗传差异,并且各个单株所发生的变异程度不同。

图 6 沙田柚多倍体 SCoT 标记分析的树状聚类图
Fig. 6 Dendrogram of Shatianyou polyploidy genome generated by SCoT analysis
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3 讨论
SCoT 标记具有引物可以在物种间通用,能有效产生和性状连锁的标记,方便分子标记辅助育
种等优点(Collard & Mackill,2009)。但由于其反应结果受材料、反应体系等因素的影响很大,有
必要对 SCoT-PCR 体系进行优化(陈虎 等,2009)。本研究中利用正交设计方法,对其反应体系中
的 5 个因素以及退火温度进行了优化,建立了柑橘的 SCoT 分析体系,与已有的研究相比,Mg2+的
用量基本一样,其余 4 个因素的用量和退火温度均具有一定的差异(Collard & Mackill,2009;陈虎
等,2010;Luo et al.,2010;熊发前 等,2010,Xiong et al.,2010)。通过对柑橘杂交群体遗传多
样性和多倍体遗传差异的分析证明了 SCoT 标记技术非常有效。
多倍体核是一个动态的进化系统,多倍体核中重复基因和重复基因组之间的相互作用能使基因
组组成、结构以及基因表达水平和式样发生明显的改变(杨继,2001)。而已有的研究资料表明,同
源多倍化过程中很少导致基因组内发生大规模序列消减、增加、转座子激活等基因组结构调整事件
(Chen & Ni,2006)。洪柳等(2005)利用 SSR 技术对从椪柑实生苗中选出的四倍体进行分析,发
现其与二倍体没有差异,认为其是来自珠心细胞的同源四倍体。刘文革等(2004)发现西瓜二倍体
及其同源四倍体之间 DNA 序列变化很小。向素琼等(2009)发现只有两对 SSR 引物在沙田柚同源
四倍体和二倍体母本间存在差异条带。但是也有研究出现不同结果,王卓伟等(2002)发现同源四
倍体桑与二倍体桑之间具有较高的多态性,认为同源四倍体桑在 DNA 分子遗传结构上产生了一定
程度的改变。何波等(2009)曾利用 AFLP 对包括本文所用材料在内的沙田柚多倍体进行研究,发
现其中的同源四倍体和天然多倍体均发生了较多的基因组 DNA 位点变异,并且缺失位点远多于新
增位点,有多个位点还同时发生了相同变异,认为多倍体基因组的进化并不是一个随机事件。
本研究中,同源四倍体相对于二倍体亲本也出现了较多的位点增加和缺失,3 株同源四倍体共
出现新增位点 42 个,缺失位点 16 个,而天然四倍体共出现 17 次条带的增加和 9 次条带的缺失。同
源四倍体和天然四倍体位点增加的频率均高于缺失位点出现的频率,这与何波等(2009)用 AFLP
分析的结果不同。SCoT 分子标记与 AFLP、SSR 等传统的随机 DNA 分子标记仅扩增非编码区域或
在基因组中随机扩增不同,其可能得到与目标性状基因距离较近的位点,产生偏向候选功能基因区
或产生和性状连锁的标记(陆才瑞 等,2008;熊发前 等,2010),这可能是以上研究结果差异较大
的原因。本结果中四倍体植株在 DNA 分子水平上表现出较大的遗传变异,表明其在形成过程中为
了组建一个协调的胞内环境并适应新的调控系统,可能发生了染色体重排、易位以及核—质之间的
相互作用来实现基因重组。
而随着结构及功能基因组学的发展,目的基因标记(GTMs)及功能性分子标记(FMs)相续被
开发出来(Andersen & Lübberstedt,2003;杨景华 等,2008)。新的标记技术应用可以对已有的技术
进行有效补充,为柑橘遗传育种和多倍体研究提供新的技术支持。

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