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Comparison and Screening Indicators for Ramie (Boehmeria nivea) Genotypes Tolerant to Cadmium

苎麻耐镉品种差异及其筛选指标分析



全 文 :作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2011, 37(2): 348354 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家“十一五”科技支撑计划项目(2008BADA7B02)资助。
*
通讯作者(Corresponding author): 揭雨成, E-mail: ibfcjyc@ vip.sina.com
第一作者联系方式: E-mail: clregina@163.com
Received(收稿日期): 2010-05-26; Accepted(接受日期): 2010-09-21.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2011.00348
苎麻耐镉品种差异及其筛选指标分析
佘 玮 揭雨成* 邢虎成 鲁雁伟 黄 明 康万利 王 栋
湖南农业大学苎麻研究所 / 湖南省作物种质创新与资源利用重点实验室, 湖南长沙 410128
摘 要: 以营养液盆栽试验结合田间微区试验调查 9个苎麻品种耐镉差异并筛选耐镉指标。结果表明, 营养液盆栽
试验中, 不同镉处理下苎麻株高、单株叶片数、地上部干重和地下部干重差异显著, 各性状具有较大的品种间差异。
地上部干重与株高、叶片 SPAD 值和地下部干重均呈显著或极显著正相关, 相关系数分别为 0.95、0.82 和 0.85。田
间微区试验中, 地上部干重与株高、茎粗、皮厚均呈显著或极显著正相关, 相关系数分别为 0.86、0.72和 0.76。分别
对营养液盆栽试验和微区试验各指标耐镉指数的隶属函数值进行聚类分析, 9个品种均被分为 3类, 结果基本一致。
说明以营养液盆栽苎麻的株高、叶片 SPAD 值、地下部干重和地上部干重作为指标筛选苎麻耐镉品种是一条有效
途径。
关键词: 苎麻; 品种; 耐镉; 筛选
Comparison and Screening Indicators for Ramie (Boehmeria nivea) Genotypes
Tolerant to Cadmium
SHE Wei, JIE Yu-Cheng*, XING Hu-Cheng, LU Yan-Wei, HUANG Ming, KANG Wan-Li, and WANG Dong
Ramie Institute, Hunan Agricultural University / Hunan Provincial Key Laboratory of Crop Germplasm Innovation and Utilization, Changsha 410128,
China
Abstract: The rapid industrialization causes the large areas of heavy metal contaminated soils, which has become a threat to the
local ecosystems. Cadmium (Cd) is a heavy metal which has aroused great concerns in the environmental science community,
because of its toxicity to animals and humans. Screening and breeding high cadmium tolerant ramie genotype is one of the effec-
tive alternatives to utilize the cadmium contaminated soil, since ramie could minimize the potential hazard of bringing toxic met-
als into food chains. In this study, a hydroponic culture experiment and a field micro-plot trial were carried out to compare nine
ramie genotypes and their respective screening indices for Cd tolerance. In the hydroponic culture experiment, substantial differ-
ences and significant genotypic variations in plant height, leaf number per plant, shoot dry weight and root dry weight were found
in different Cd treatments. The shoot dry weight well correlated with plant height, SPAD of leaf and root dry weight. In the field
trial, the shoot dry weight well correlated with plant weight, diameter of stem and thickness of bark. This suggests that these
characteristics could be used as Cd tolerance indicators. Cluster analysis using comprehensive Cd tolerance characteristics as
evaluation parameters indicated that nine genotypes were divided into three categories. These results suggested that it would
probably be an effective method to use the plant height, SPAD of leaf, shoot dry weight and root dry weight in ramie hydroponic
culture experiment with different Cd treatments as selection indicators.
Keywords: Ramie (Boehmeria nivea); Genotype; Tolerance to Cd; Screening
镉对植物具有毒性, 也是引起世界范围作物减
产和品质降低的主要因子之一[1-2]。据统计, 人类活
动每年向土壤中排放镉 9.9~45.0 万吨[3]。我国农田
污灌的面积已扩大到 1.4×107 hm2, 其中镉污染耕地
1.3×104 hm2, 涉及 11个省市的 25个地区[4]。大面积
受镉污染的土壤急需找到有效手段治理, 以减少重
金属通过食物链危害人们身体健康的风险。目前筛
选和培育耐镉品种受到公众的关注, 水稻[5]、大豆[6]、
小麦[7]、蔬菜[8-9]等作物上相继开展了镉耐性研究。
苎麻是中国特有的纤维作物 , 具有较强的耐
旱、耐瘠薄、抗病虫害等特性, 对多种重金属也具
有较强的耐性[10-11]。我国已收集、保存、鉴定的苎
第 2期 佘 玮等: 苎麻耐镉品种差异及其筛选指标分析 349


麻种质资源有 2 000 多份[12], 其中包括重金属耐性
强、积累量大的优良种质资源。筛选和培育苎麻耐
镉品种, 既可用于生态修复, 又能获得一定的经济
效益。研究人员先后对苎麻耐镉能力、苎麻镉积累规
律、镉对苎麻生理生化的影响等方面开展了研究[13-15],
而苎麻品种耐镉差异和指标筛选工作尚无相关报道。
本试验采用盆栽试验与大田微区试验相结合的
方法探讨苎麻耐镉的品种差异, 同时对苎麻镉耐性
进行综合评价并分析主要的筛选指标, 以期为耐镉
苎麻品种筛选和培育提供理论基础。
1 材料与方法
1.1 试验材料
来自湖南农业大学苎麻种质资源圃的 9 个栽培
品种即石阡竹根麻(贵州)、富顺青麻(四川)、小鲁班
(江西)、大红皮 2 号(四川)、湘苎 3 号(湖南)、湘苎
2 号(湖南)、宜春红心麻(江西)、中苎 1 号(湖南)和
川苎 1号(四川)。
1.2 盆栽试验
于湖南农业大学智能温室进行营养液盆栽试验,
以珍珠岩为培养基质, 自来水冲洗后装于塑料盆中
(内径 23 cm×18 cm×25 cm), 选取长势一致的苎麻扦
插苗(约 30 cm)洗去根部所带土壤后移栽。每周浇灌
1/2的 Hoagland营养液 500 mL。Hoagland营养液配
方(mol L–1)为 Ca(NO3)2 5.79×10–3, KNO3 8.02×10–3,
NH4H2PO4 1.35×10–3, MgSO4 4.17×10–3, MnSO4
8.90×l0–6, H3BO3 4.83×l0–5, ZnSO4 0.94×l0–6, CuSO4
0.20×l0–6, (NH4)2MoO4 0.015×10–6, Fe-EDTA
7.26×10–5, pH 6.5左右(用 NaOH或 HCl调节)。
试验于 2008年 3月—2009年 7月进行。CdCl2
浓度设为 0(对照)、100、200、400和 800 µmol L–1, 共
45个处理组合(9个品种×5个浓度)。2008年头麻(移
栽当季)预培养, 2008年二麻出苗 10 d后开始进行镉
胁迫, 每处理各品种重复 3盆, 每盆 3株。连续调查
2008 年二麻、2008 年三麻和 2009 年头麻, 每季各
品种按生物量的排序基本一致, 所用数据为其中具
有代表性的 2008年二麻。
每盆标记 1 株代表株。成熟期调查代表株的株
高 (PH)、单株叶片数 (NLPP), 以 SPAD-502 荧光
仪测定叶片叶绿素相对数量(SPAD 值)(SPADL), 收
获植株, 风干后称地上部干重(SDW)和地下部干重
(RDW)。
1.3 微区试验
于 2008年 7月—2009年 10月进行。试验区位
于湖南省株洲市马家河镇新马村镉污染水稻田, 属
中亚热带季风性湿润气候, 年均气温 17.6℃。试验
地土壤 pH 4.83, 含有机质 3.41%、速效氮 113.1 mg
kg–1、速效磷 10.5 mg kg–1、速效钾 65.1 mg kg–1、镉
总量 1.65 mg kg–1。用 1 m×1 m×1 m水泥池进行微区
试验。将分析纯 CdCl2·2H2O溶解于水后与少量供试
土壤混匀, 再与菜籽饼一起拌入微区上层 0~30 cm
土壤之中。镉添加浓度为 25 mg kg–1和 100 mg kg–1,
以不添加镉作对照(CK), 每处理重复 3 次。平衡 2
周后移栽苎麻幼苗。每小区种 6 蔸苎麻, 种植密度
为 0.30 m×0.55 m, 常规田间管理。连续调查 2008年
二麻、2008年三麻以及 2009年头麻、二麻、三麻, 文
中所用数据为这 5季的平均值。
于苎麻正常成熟期, 调查小区有效株(ASN)、有
效株率(ASN%)。每个小区随机选取 10株有效株, 调
查株高(PH)、茎粗(DS)、皮厚(TB)等农艺性状, 收获
整个小区苎麻地上部称鲜重, 风干后分别称量地上
部干重(SDW)和原麻干重(CFDW), 计算鲜皮出麻率
(FBS%)。
1.4 数据统计分析
耐性指数一般用各处理最长根延长量或地上部
长度与对照最长根延长量或地上部长度的比值表
示。为全面研究作物耐性, 选择多个指标分别计算
其相应的耐性指数 [16]。耐性指数=处理值 /对照值
×100%。
隶属函数值用模糊数学的方法计算, 公式如下。
min
max min
ˆ ij j
ij
j j
X X
X
X X
  iX = 1/n ij1
ˆ
n
j
X


式中 ijX 表示 i品种 j指标的抗逆隶属函数值, Xij
表示 i品种 j指标的测定值, Xjmax和 Xjmin分别表示各
品种中指标的最大和最小测定值, iX 为品种的抗逆
隶属函数均值, n为指标数[17]。
用Microsoft Excel 2007记录所有数据, SPSS 12.0
进行方差、相关和聚类等分析。
2 结果与分析
2.1 营养液盆栽试验
2.1.1 镉胁迫条件下苎麻品种差异 由表 1可知,
在不同浓度镉胁迫处理条件下, 以株高的降低最为
显著, 不同处理间均达极显著差异; 地上部干重显
著低于对照; 叶片平均 SPAD 值在处理间差异不显
著; 平均单株叶片数和地下部干重在 100 µmol L–1
镉处理下略高于对照, 其他镉浓度处理下显著低于
350 作 物 学 报 第 37卷

对照。说明镉处理显著影响了苎麻生长。
不同品种间株高及地上部干重的差异表现为 ,
在不施镉的条件下(对照), 株高最大值和最小值相
差 1.53 倍, 地上部干重相差 2.37 倍, 二者的变异系
数分别为 19.22%和 25.04%, 但在不同镉浓度处理下,
品种间株高最大值和最小值之差缩小为 1.30 倍, 地
上部干重之差缩小为 2.12 倍, 其变异系数也分别缩
小为 11.28%和 22.97%, 均低于对照, 说明在镉处理
下由品种间差异所致的地上部分生长差异减小, 且
镉处理浓度越大, 品种间差异越小。说明 100 µmol L–1
镉处理时以株高和地上部干重作为耐受性的筛选指
标较为适宜。
与此不同, 地下部干重、叶片 SPAD 值和单株
叶片数的变异系数分别在 400 µmol L–1、800 µmol
L–1和 400 µmol L–1镉处理下达最大值, 说明在较高
浓度的镉胁迫条件下, 品种间的耐受性有较大差异;
同时也说明这 3 个指标可以作为高浓度镉耐受性的
筛选指标, 其中以叶片 SPAD值(SPADL)作为筛选指
标最好, 因其在较高浓度胁迫条件下的变异系数是
对照的 1.41 倍, 而地下部干重和单株叶片数的变异
系数与对照相比只是略有提高。
2.1.2 苎麻不同品种的耐镉性评价 植物在逆境
胁迫下的耐性强弱通常用耐性指数(TI)表示。耐性指
数越大, 植物耐性就越强。耐性受多种因素的影响,
选择多个指标进行综合评价更为准确。地上部干重
与株高、叶片 SPAD 值和地下部干重均呈显著或极
显著正相关, 相关系数分别为 0.95、0.82和 0.85, 单
株叶片数与这 4个性状相关不显著。因此, 利用隶属
函数对株高、叶片 SPAD 值、地上部和地下部生物
量等指标进行综合分析, 根据隶属函数值将供试苎
麻品种按照耐性强弱排序, 依次为川苎 1 号>石阡
竹根麻>宜春红心麻>富顺青麻>中苎 1 号>大红
皮 2号>湘苎 2号>小鲁班>湘苎 3号(表 2)。对每
品种隶属函数值均值进行聚类分析后可将 9 个品种
分为 3类, 石阡竹根麻和川苎 1号为高耐型; 富顺青
麻、大红皮 2 号、湘苎 2 号、宜春红心麻、中苎 1
号为中耐型; 小鲁班和湘苎 3号为低耐型。
2.2 微区试验条件下苎麻性状相关分析及不同
品种的耐镉性评价
生物量(地上部干重和原麻干重)是苎麻的主要
经济指标, 也是综合反映作物受胁迫程度的主要指
标, 因此作为微区试验条件下筛选苎麻耐镉的标准

表 1 镉处理对营养液培养苎麻各性状品种差异的影响
Table 1 Effect of Cd treatment on genotypic variations of ramie traits in hydroponic culture experiment
Cd处理
Cd treatment
株高
PH (cm)
叶片 SPAD值
SPADL
单株叶片数
LNPP
地上部干重
SDW (g pot–1)
地下部干重
RDW (g pot–1)
平均值 Mean
CK 76.04 aA 37.40 aA 14.71 aA 18.68 aA 18.92 abAB
100 µmol L–1 69.34 bB 36.33 aA 15.16 aA 17.98 aAB 20.29 aA
200 µmol L–1 62.01 cC 35.95 aA 12.65 bB 16.49 bB 18.38 bABC
400 µmol L–1 57.20 dD 36.11 aA 11.76 bB 13.29 cC 18.14 bcBC
800 µmol L–1 52.52 eE 35.24 aA 12.57 bB 10.98 dD 16.72 cC
变幅 Variation range
CK 60.22–92.38 33.28–39.54 12.50–17.67 11.10–26.33 16.35–21.06
100 µmol L–1 61.80–78.21 31.93–38.54 12.93–17.47 11.35–22.35 18.11–22.79
200 µmol L–1 56.57–67.40 33.21–37.48 10.27–15.60 12.63–20.59 16.05–20.69
400 µmol L–1 49.48–63.21 32.45–37.96 10.27–14.87 9.23–16.33 15.33–22.61
800 µmol L–1 45.53–59.34 31.71–37.90 10.20–15.00 9.06–13.01 14.47–20.26
变异系数 CV (%)
CK 19.22 5.35 12.10 25.04 10.62
100 µmol L–1 11.28 5.81 10.09 22.97 10.05
200 µmol L–1 11.01 5.42 12.88 18.12 8.34
400 µmol L–1 11.04 6.04 14.03 16.77 11.58
800 µmol L–1 10.20 7.55 13.44 13.48 10.76
小写和大写字母不同分别表示 0.05和 0.01水平的差异显著。
Values within a column followed by different small and capital letters are significantly different at the 0.05 and 0.01 probability levels,
respectively. PH: plant height; SPADL: SPAD of leaf; LNPP: leaf number per plant; SDW: shoot dry weight; RDW: root dry weight.
第 2期 佘 玮等: 苎麻耐镉品种差异及其筛选指标分析 351


指标。对农艺性状进行相关性分析, 株高、茎粗和
皮厚与地上部干重、原麻干重呈极显著或显著正相
关, 单蔸有效株、有效株率和鲜皮出麻率与地上部
干重和原麻干重相关不显著(表 3)。说明微区试验筛
选耐镉苎麻品种以株高、茎粗和皮厚等形态指标具
有较好的典型性。
分别计算株高、茎粗、皮厚、地上部干重和原
麻干重耐性指数的隶属函数值(表 4), 苎麻品种耐镉
性为川苎 1 号>石阡竹根麻>富顺青麻>宜春红心
麻>中苎 1号>湘苎 2号>大红皮 2号>湘苎 3号

表 2 营养液培养条件下苎麻耐镉性指数的隶属函数值
Table 2 Subordinate function values of Cd tolerance index of ramie in hydroponic culture experiment
品种
Variety
株高
PH
叶片 SPAD值
SPADL
地上部干重
SDW
地下部干重
RDW
平均值
Average
石阡竹根麻 SQZG 0.77 0.71 0.70 0.63 0.70
富顺青麻 FSQ 0.50 0.71 0.51 0.52 0.56
小鲁班 XLB 0.58 0.38 0.47 0.37 0.45
大红皮 2号 DHP2 0.58 0.53 0.60 0.47 0.54
湘苎 3号 XZ3 0.43 0.37 0.55 0.39 0.43
湘苎 2号 XZ2 0.51 0.55 0.48 0.59 0.53
宜春红心麻 YCHX 0.63 0.65 0.57 0.52 0.60
中苎 1号 ZZ1 0.57 0.60 0.51 0.52 0.55
川苎 1号 CZ1 0.89 0.72 0.76 0.61 0.74
PH: plant height; SPADL: SPAD of leaf; SDW: shoot dry weight; RDW: root dry weight.

表 3 微区苎麻不同性状相关分析
Table 3 Correlation analysis of ramie traits in field micro-plot trial at different Cd treatments
株高
PH
茎粗
DS
皮厚
TB
单蔸有效株
ASN
有效株率
PASN
鲜皮出麻率
PFBS
地上部干重
SDW
茎粗 DS 0.71*
皮厚 TB 0.72* 0.91**
单蔸有效株 ASN 0.28 –0.11 0.13
有效株率 PASN 0.33 0.36 0.41 0.33
鲜皮出麻率 PFBS 0.21 0.47 0.56 –0.23 0.51
地上部干重 SDW 0.86** 0.72* 0.76* 0.40 0.35 0.37
原麻干重 CFDW 0.85** 0.68* 0.69* 0.37 0.56 0.34 0.98**
PH: plant height; DS: diameter of stem; TB: thickness of bark; PASN: percentage of available stalk number; PFBS: percentage of fresh
bark stripping; SDW: shoot dry weight; CFDW: crude fiber dry weight. * Significant at 5% probability level; ** Significant at 1% probability
level.

表 4 微区试验条件下苎麻耐性指数的隶属函数值
Table 4 Subordinate function values of tolerance index of ramie in field micro-plot trial at different Cd treatments
品种
Variety
株高
PH
茎粗
DS
皮厚
TB
地上部干重
SDW
原麻干重
CFDW
平均值
Average
石阡竹根麻 SQZG 0.81 0.72 0.76 0.86 0.69 0.77
富顺青麻 FSQ 0.52 0.62 0.50 0.65 0.51 0.57
小鲁班 XLB 0.40 0.47 0.49 0.48 0.35 0.43
大红皮 2号 DHP2 0.65 0.52 0.52 0.45 0.57 0.52
湘苎 3号 XZ3 0.39 0.50 0.38 0.52 0.43 0.44
湘苎 2号 XZ2 0.52 0.59 0.42 0.50 0.58 0.53
宜春红心麻 YCHX 0.50 0.55 0.69 0.55 0.54 0.56
中苎 1号 ZZ1 0.43 0.58 0.53 0.49 0.68 0.54
川苎 1号 CZ1 0.85 0.63 0.73 1.00 0.84 0.81
PH: plant height; DS: diameter of stem; TB: thickness of bark; SDW: shoot dry weight; CFDW: crude fiber dry weight.

352 作 物 学 报 第 37卷

>小鲁班。
对隶属函数值均值进行聚类分析, 同样可将 9
个品种分为 3 类, 川苎 1 号和石阡竹根麻为高耐型,
富顺青麻、大红皮 2 号、湘苎 2 号、宜春红心麻和
中苎 1 号为中耐型, 小鲁班和湘苎 3 号为低耐型。
由此可见, 营养液盆栽以株高、叶片 SPAD 值、地
上部和地下部生物量作为苎麻耐镉指标筛选的结果
与微区试验结果基本一致, 虽然品种间的排列顺序
不完全一样, 但没有出现质的差异。
3 讨论
3.1 苎麻耐镉品种比较
植物不同品种对镉的耐性和积累能力存在很大
的差异[18]。一般土壤中镉浓度达到 10~20 mg kg–1
或植物体内镉含量达到 0.2~0.8 mg kg–1即对植物产
生毒性效应, 导致植物枯萎和生长受到抑制[19-20]。
前人关于苎麻耐镉能力的研究结果各异。有研究报
道 80 mg kg–1可能是苎麻耐镉阈值[21], 但也有报道
苎麻在 700 mg kg–1以上镉污染土壤上正常生长[22]。
除了土壤性状等外界因素外, 造成这种差异的主因
还是供试品种的不同。
本试验供试材料为 34 个苎麻品种中对镉的吸收
和富集能力较强的 9个苎麻品种, 农艺性状差异明显
(本课题未发表数据)。9个苎麻品种在镉处理下生长
受到一定程度的抑制 , 株高降低 , 生物量和叶片
SPAD值减少, 但仍能正常完成生理周期, 存活率达
百分之百, 表现出较强的耐镉能力。苎麻品种间耐
镉隶属函数均值最大值和最小值相差 1.74~1.88 倍,
可适应不同镉污染程度土壤。苎麻耐镉机制可能存
在种内差异, 其耐性机理有待进一步研究。
3.2 苎麻耐镉指标筛选
筛选和培育耐镉苎麻品种是缓解镉污染农田休
耕的有效途径之一。直观、简便、有效的培养方法
和筛选评价指标的选择是准确快速筛选和培育耐镉
苎麻品种的基础条件。田间试验的结果更加直观 ,
但耗时、耗力、试验条件控制难度大。营养液盆栽
试验由于便于准确控制实验条件和便于观察, 能够
对大量品种进行快速筛选。但营养液和土壤中 pH
值、营养液和土壤中有效态重金属以及土壤中存在
其他重金属等差异因素都会影响植物的耐镉性。因
此需要分别研究适合营养液盆栽试验和大田试验的
筛选指标, 并对其筛选结果进行比较, 以此来评估
前者的可行性。
生物量是植物各种生长发育过程的最终结果 ,
能综合反映植物受胁迫的程度, 历来是植物对各种
环境反映的衡量指标[23], 但植物耐性受多因素影响,
且不同品种的耐性机制也不尽相同, 即使不同品种
对某一具体指标的耐性反应也不一定相同。因此 ,
用生物量和其他指标对耐性进行综合评价可提高筛
选的全面性和准确率。种子萌发和生长状况常用作
评价重金属耐性的重要指标[24], 但对耐镉品种筛选
的方法和评价指标尚无专门报道。
本研究中营养液盆栽试验条件下以成熟期的株
高、叶片 SPAD 值、地上部干重和地下部干重作为
指标筛选出的耐镉品种与微区试验条件下的筛选结
果基本一致, 说明在盆栽试验成熟期以这 4个性状作
为指标筛选苎麻耐镉品种是可行的。株高和地上部
干重可作为低浓度镉(100 µmol L–1)耐受性的筛选指
标, 株高测定较容易, 实用性较强; 地下部干重、叶
片 SPAD 值和单株叶片数可作为高浓度镉(400~800
µmol L–1)耐受性的筛选指标, 其中叶片 SPAD 值和
单株叶片数 2个性状便于测定, 实用性较强。
目前植物耐镉研究多集中在镉对植物生长发
育、生理特性的影响等方面[7,25-28], 关于苎麻耐镉品
种指标的筛选和评价尚未见报道, 本试验所确定的
筛选条件和指标可作为大量品种的初筛方法。苎麻
为多年生无性繁殖作物, 在头龄麻和二龄麻期间进
行调查较为客观。试验只在成熟期进行耐镉品种筛
选, 没有进行早期筛选, 对于试验来说显得较为单
薄。今后将建立镉浓度与苎麻生长、生理的相关模
型, 在此基础上进行大规模品种耐镉指标筛选, 使
试验更加充实有意义。
4 结论
地上部干重、株高、叶片 SPAD 值和地下部干
重 4 个性状可作为营养液培养条件下苎麻品种耐镉
性评价的主要指标, 其筛选结果与微区试验结果基
本一致。株高和地上部干重可作为低浓度镉 (100
µmol L–1)耐受性的筛选指标 , 地下部干重、叶片
SPAD 值和单株叶片数可作为高浓度镉 (400~800
µmol L–1)耐受性的筛选指标。
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科学出版社生物分社新书推介
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作者参考。
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