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Genetic differentiation and distributing pattern of Cordyceps sinensis in China revealed by rDNA ITS sequences

基于rDNA ITS序列探讨我国冬虫夏草的遗传分化及分布格局



全 文 :·药材与资源·
基于 rDNA ITS 序列探讨我国冬虫夏草的遗传分化及分布格局
郝剑瑾1 ,程  舟1 3 ,梁洪卉1 ,杨晓伶1 ,李  珊1 ,周铜水2 ,张文驹2 ,陈家宽2①
(11 同济大学生命科学与技术学院 ,上海  200092 ; 21 复旦大学生命科学学院生物多样性科学研究所
生物多样性与生态工程教育部重点实验室 ,上海  200433)
摘 要 :目的  探讨我国冬虫夏草的遗传分化及分布格局。方法  分析冬虫夏草 rDNA ITS 序列差异及构建分子
系统树。结果  冬虫夏草 ITS12518S2ITS2 序列在我国主要冬虫夏草产地 21 个居群间的差异较小 ,遗传距离仅为
0~01018。ITS1 和 ITS2 序列中的 GC 的量与冬虫夏草居群的纬度呈极显著正相关 ,与居群的经度和海拔相关不
显著。基于 ITS 序列的碱基变异将我国主要产地冬虫夏草分成 4 支 ,其地理位置与纬度有关 ,分别是环青海湖地
区、青海中南部2甘肃2四川2西藏东北部区域、云南、西藏林芝米林地区。结论  基于 rDNA ITS 序列微小差异更能
反映我国冬虫夏草资源在大尺度地理范围的分布格局 ,进一步证实了冬虫夏草的遗传分化主要发生于不同
纬度间。
关键词 :冬虫夏草 ; rDNA2ITS 序列 ;遗传分化 ;分布格局
中图分类号 :R28217    文献标识码 :A    文章编号 :025322670 (2009) 0120112205
Genetic differentiation and distributing pattern of Cordyceps sinensis in China
revealed by rD NA ITS sequences
HAO Jian2jin1 , CH EN G Zhou1 , L IAN G Hong2hui1 , YAN G Xiao2ling1 , L I Shan1 , ZHOU Tong2shui2 ,
ZHAN G Wen2ju2 , CH EN Jia2kuan2
(11 School of Life Science and Technology , Tongji University , Shanghai 200092 , China ; 21 Key Laboratory of Biodiversity
Science and Ecological Engineering , Minist ry of Education , Institute of Biodiversity Science ,
School of Life Science , Fudan University , Shanghai 200433 , China)
Abstract : Objective  To investigate the genetic differentiation and dist ributing pat tern of Cord yceps
si nensis in China1 Methods  Molecular p hylogenetic t ree was const ructed by neighbour2joining analysis for
t he difference of ribosomal DNA internal t ranscribed spacers ( rDNA ITS) of C1 si nensis1 Results  Lit tle
difference in t he ITS12518S2ITS2 sequences were detected among t he 21 pop ulations of C1 si nensis collected
f rom t he main producing areas in China1 Their genetic distances just ranged f rom 0 to 010181 The GC con2
tent s of ITS1 and ITS2 sequences showed ext remely significant positive correlation wit h t he latit udes of
each C1 si nensis pop ulations , and no significant correlation wit h t he longit udes and altit udes1 Based on t he
ITS sequences , t he C1 si nensis f rom the main producing areas in China should be divided into four group s ,
which seems to match wit h t he geograp hic dist ribution along latit udinal gradient , i1e1 area around Qinghai
Lake , area including Mid2sout hern of Qinghai2Gansu2Sichuan2Nort heastern of Tibet , Yunnan , and Linzhi
and Milin of Tibet , respectively1 Conclusion  The tiny difference of rDNA ITS sequences are more suit2
able for revealing t he dist ributing pat tern of C1 si nensis resources wit h large geograp hic ranges in China1
The result s fart her confirm t hat t he genetic differentiation of C1 si nensis exist s among different latit udes1
Key words : Cordyceps sinensis (Berk1) Sacc1 ; rDNA ITS; genetic differentiation ; distributing pattern
  冬虫夏草 Cord yceps si nensis (Berk1 ) Sacc1 系
麦角菌科真菌寄生在蝙蝠蛾科 ( Hepialidae) 昆虫幼
虫上所形成的子座及幼虫尸体的复合体 ,是我国珍
稀名贵中药材之一[1 ,2 ] 。由于冬虫夏草的分布区域
·211· 中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs  第 40 卷第 1 期 2009 年 1 月
①收稿日期 :2008205207
基金项目 :国家重点基础研究发展计划资助项目 (2007CB411600) ;上海市科委中药现代化专项 (03DZ19547)
作者简介 :郝剑瑾 (1983 —) ,女 ,汉族 ,山西省太原市人 ,同济大学生命科学与技术学院生物医学工程专业硕士研究生 ,研究方向为中药材资
源保护及利用。 Tel :13764658126  E2mail :jolinhao @gmail . com3 通讯作者 程 舟 Tel : (021) 65985185  E2mail :chengzhou @tongji . edu. cn
特定 ,天然产量非常有限 ,加上生态环境的破坏和长
期过度采挖 ,冬虫夏草野生资源的居群规律锐减 ,分
布范围和发生数量已经出现明显的萎缩趋势 ,资源
已濒临枯竭 ,亟需对其遗传特性及分布格局进行深
入系统的研究 ,以便制定冬虫夏草资源的保护策
略[3 ] 。基于形态性状和 ISSR 标记数据表明青海省
的冬虫夏草在分布上表现出明显的地域性[4 ] 。陈永
久等[ 5 ,6 ]用 RA PD 标记研究了青藏高原部分地区冬
虫夏草的遗传分化 ,但对我国主要产地的冬虫夏草
资源的遗传多样性及分布格局尚未完全明了。
高等植物的核糖体 DNA (rDNA) 是由串联重复
排列的单位组成 ,每个单位包括编码区和内转录间隔
区 ,编码区包括 18S、518S和 25S 基因 ,基因序列进化
缓慢且相对保守 ;编码区之间为内转录间隔区 (inter2
nal transcribed spacer , ITS) ,依顺序分为第一转录间
隔区 ( ITS1) 和第二转录间隔区 ( ITS2) 。ITS 区序列
进化速度较快 ,长度适中 ,可广泛用于真菌的系统学
研究[7 ] 。迄今利用 ITS 序列证明中国被毛孢是冬虫
夏草的无性型[8 ,9 ] ,探讨了冬虫夏草及其相关类群的
分子系统学问题[10 ]及提供了虫草属的多元起源的分
子生物学证据[11 ] 。用 ITS 序列分别分析了我国部分
地区冬虫夏草的遗传变异及系统发育关系 ,但所获得
的结果存在较大的差异[12~14 ] 。基于 ITS 序列探讨了
冬虫夏草菌与虫草属真菌的系统发育关系 ,认为冬虫
夏草菌与金针虫草 C1 agriota Kaw1 的遗传关系较
近 ,与虫草属其他真菌的关系较远[15 ] 。本研究基于
rDNA2ITS序列对广泛采集于我国冬虫夏草主要产
地青海、西藏、四川、云南和甘肃等 5 省区的 21 个冬
虫夏草居群的遗传关系进行分析 ,探讨我国冬虫夏草
资源的遗传分化及分布格局 ,对冬虫夏草的资源保护
及可持续利用具有重要意义。
1  材料与方法
111  材料 :用于本实验的 21 个居群为 2004 年 5 月
至 2007 年 6 月分别采自青海、西藏、四川、云南和甘
肃 5 省区 ,基本包括了我国冬虫夏草主要产区。样
品由青海省畜牧兽医科学院徐海峰先生鉴定为冬虫
夏草 Cord yceps si nensis (Berk1 ) Sacc1 。样品采集
地的海拔及经纬度见表 1。
112  DNA 提取 :在预实验中 ,从冬虫夏草玉树居群
与共和居群中分别选取 5 个虫草 ,取冬虫夏草的子座
部分 ,提取 DNA ,用于扩增冬虫夏草菌 rDNA ITS 序
列 ,结果显示该序列在冬虫夏草居群内没有差异。因
此 ,本研究从每个冬虫夏草居群中随机选取 1 个虫
草 ,取虫草子座约 10 mg ,采用 CTAB 法提取 DNA ,
并用 017 %的琼脂糖凝胶检测 DNA 质量[4 ] 。
113  PCR 扩增及序列测定 :采用真核生物 rDNA
ITS 序列扩增引物 ITS Primer A : 5′2CGTA GGT2
GAACCT GC GGAA GGA TCA23′和 ITS Primer B :
5′2T TCCCT GT TCACTCGCCGT TACT23′,对冬虫
夏草 rDNA ITS 序列进行 PCR 扩增[8 ] 。反应体系
50μL 含 2 mmol/ L MgCl2 、0125 mmol/ L dN TPs、
012μmol/ L 引物、50 ng 模板、1 ×buffer 和 2 U Ex
T aq DNA 聚合酶 ( Ta KaRa ) 。使用 Eppendorf
Mastercycler Gradient PCR 仪进行扩增反应 ,扩增
条件为 94 ℃预变性 5 min ;30 个循环 :94 ℃变性 1
min ,55 ℃退火 015 min ,72 ℃延伸 1 min ;最后 72
℃延伸 10 min。将 PCR 扩增产物经电泳检测纯化
后由上海基康生物技术有限公司测序。
114  ITS 序列分析 :应用 Clustal X 软件进行 DNA
序列的对位排列并人工校正。运用一元线性回归分
析法对冬虫夏草菌 rDNA ITS 序列中碱基 G 和 C
的百分比 (即 GC 的量) 与各冬虫夏草居群的纬度、
经度和海拔进行相关性分析 ,计算相关系数 ( r) ,并
进行显著性检验。使用 M EGA311 软件 ,由全部排
列位点的序列变异经成对删除后计算 Kimura 双参
数距离 ,用邻接法 ( neighbour2joining , NJ ) 对 21 个
居群的冬虫夏草构建分子系统树。将本实验测得的
21 个居群冬虫夏草 ITS12518S2ITS2 序列登录 Gen2
Bank ,登录号见表 1 ,并和 GenBank 中有代表性的
相关同源序列进行冬虫夏草菌的系统发育分析 ,以
蛹虫草 C1 mil i t aris L1 Link 和 中 国 拟 青 霉
Paeci lom yces si nensis sp1 nov1 作为外类群。遗传
距离模型选择 Kimura 双参数模型 ,并采用重复抽
样分析 1 000 次检验分子系统树各分支的置信度。
2  结果
211  ITS序列分析 :经对位排列 ,获得我国主要冬虫
夏草产地 21 个居群的冬虫夏草 ITS12518S2ITS2 序
列 ,碱基序列长度均为 492 bp ,其中 ITS1、518S 和
ITS2 的长度分别为 160、157 和 175 bp。518S 区段十
分保守 ,在 157 个碱基中有 1 个碱基存在变异 ,变异
率为 0164 %。在 ITS1 区间的 160 个碱基中有 3 个碱
基存在变异 ,变异率为 1188 %。ITS2 区间变异较大 ,
在 175 个碱基中有 9 个碱基存在变异 ,变异率达到
5114 % ,表明不同产地的冬虫夏草的 ITS 序列存在一
定的序列变异。一般采集地较近的居群 ,其序列基本
一致 ,即使有变异也非常小 ,而地理分布较远的居群
其序列变异相对较大。但也有采集地分布较远的居
群其序列完全一致 ,如甘肃的玛曲居群 (MA) 、碌曲居
·311·中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs  第 40 卷第 1 期 2009 年 1 月
表 1  21 个冬虫夏草居群的经度、纬度、海拔及 ITS序列的 GC的量
Table 1  Longitudes , latitudes , altitudes , and GC contents of ITS sequences in 21 populations of C1 sinensis
居群及编号 采集地   经度/° 纬度/° 海拔/ m GC 量 3 / % 登录号
祁连 QL 青海祁连县   100122 381 02 2 700 72124 EU545160
刚察 GC 青海刚察县 100117 371 32 3 200 72124 EU545161
天峻 TJ 青海天峻县 99103 371 28 3 200 72124 EU545162
湟中 HZ 青海湟中县 101157 361 49 2 260 71164 EU545163
共和 GH 青海共和县 100161 361 27 3 200 72124 EU545164
贵南 GN 青海贵南县 100175 351 57 3 100 71164 EU545165
兴海 XH 青海兴海县 99199 351 06 4 300 71164 EU545166
河南 HN 青海河南县 101162 341 75 3 600 71164 EU545167
碌曲 LQ 甘肃碌曲县 102150 341 60 3 106 71164 EU545168
玛沁 MQ 青海玛沁县 100126 341 49 4 200 71164 EU545169
玛曲 MA 甘肃玛曲县 102104 331 97 3 473 71164 EU545170
玉树 YS 青海玉树县 96197 331 03 4 500 71164 EU545171
石渠 SQ 四川石渠县 98106 331 01 4 200 71164 EU545172
杂多 ZD 青海杂多县 95103 321 92 4 300 71164 EU545173
比如 NQ 西藏比如县 93168 311 53 4 000 71164 EU545174
丁青 DQ 西藏丁青县 95163 311 42 4 300 71164 EU545175
康定 KD 四川康定县 101195 301 03 4 200 71164 EU545176
林芝 L Z 西藏林芝县 94125 291 58 3 000 70175 EU545177
米林 ML 西藏米林县 94113 291 18 3 700 70175 EU545178
德钦 TQ 云南德钦县 98156 281 29 3 559 71164 EU545179
云南 SG   云南香格里拉县 98172 271 78 4 500 71134 EU545180
  3 GC 的量为 ITS1 和 ITS2 序列共 335 个碱基中鸟苷 ( G)和胞苷 (C)碱基的百分比3 GC Content s are percentage of guanosine ( G) and cytidine (C) to ITS1 and ITS2 sequence wit h 335 bp
群 (LQ)和西藏的那曲居群 (NQ)等。在 ITS1 和 ITS2
序列共 335 个碱基中 GC 的量为 70175 %~72124 % ,
明显高于 AT 的量 ,且高纬度地区的冬虫夏草居群的
GC的量要明显高于纬度较低地区的居群。对 GC 的
量与各冬虫夏草居群的纬度、经度和海拔的相关性分
析结果表明 , GC 的量与冬虫夏草居群的纬度呈极显
著正相关 ( r = 01740 3 3 ) ,与居群的经度 ( r = 01496) 和
海拔 ( r = 01217)相关不显著。
212  ITS 序列的聚类分析 :基于 ITS 序列的碱基变
异采用 M EGA311 软件获得的 21 个冬虫夏草居群
的遗传距离为 0~01018 ,构建的我国主要产地冬虫
夏草的 NJ 分子系统树见图 1。NJ 系统树可将 21 个
冬虫夏草居群明显地分成 4 支 :第 Ⅰ支包括 13 个采
自甘肃、青海中南部、四川及西藏东北部等地的冬虫
夏草居群 ,它们的 ITS12518S2ITS2 序列完全一致 ;
第 Ⅱ支包括分布于环青海湖地区的共和、刚察、天峻
和祁连 4 个冬虫夏草居群 ,4 居群的该段序列也完全
一致 ;2 个采自云南香格里拉和德钦的冬虫夏草居
群形成第 Ⅲ支 ,两者在该段序列上仅存在 1 个碱基
的差异 ,遗传距离为 01002 ;第 Ⅳ支有西藏的林芝和
米林居群 ,两者的 ITS12518S2ITS2 序列没有差异。 第 Ⅲ支和第 Ⅳ支的关系相对较近 ,两分支之间的遗传距离在 01008~0101。第 Ⅱ支和第 Ⅲ支的遗传距离最远 ,为 01016~01018。4 个分支经 1 000 次重复抽样后获得的置信度值分别为 65 %、97 %、89 %和88 %。结合 21 个冬虫夏草居群的采集地分析认为冬虫夏草存在较为明显的地域分布特征 ,这 4 个分支与居群所处的纬度有关。第 Ⅱ支、第 Ⅰ支、第 Ⅲ支和第 Ⅳ支居群的平均纬度分别为 100101°、99123°、98164°和 94119°。  用本研究测得的 21 个冬虫夏草的 ITS12518S2ITS2 序列和 GenBank 中有代表性的冬虫夏草及蛹虫草和中国拟青霉的同源序列构建的 NJ 分子系统树见图 2。冬虫夏草和蛹虫草及中国拟青霉在系统树上以 99 %的置信度值被分开 ,单独形成一大支。在冬虫夏草这一分支中 ,又可以分为 3 支 ,置信度值分别为 79 %、99 %和 99 %。其中第 Ⅰ支包括了 Gen2Bank 中大部分的冬虫夏草和本研究分析的 21 个冬虫夏草居群的 ITS 序列 ,但 GenBank 中的冬虫夏草ITS 序列的变异程度远大于本研究的 21 个冬虫夏草居群。第 Ⅱ和第 Ⅲ支分别由 GenBank 中少量的冬虫夏草 ITS 序列组成 ,且与第 Ⅰ支的关系相当远。
·411· 中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs  第 40 卷第 1 期 2009 年 1 月
  节点旁数据为 1 000 次 boot st rap 检验后置信度值 ( %)
  居群编号同表 1 ,图 2 同
  Numbers at nodes represent boot st rap values ( %) wit h
  1 000 replicates.
  Population codes refer to Table 1 , Fig. 2 is same
图 1  基于 21 个冬虫夏草居群 rDNA ITS序列的
NJ 系统树
Fig. 1  NJ Dendrogram in 21 C1 sinensis populations
based on rDNA ITS sequence
3  讨论
基于 ITS序列的碱基变异将我国主要产地冬虫
夏草分成 4 支 ,其地理位置与纬度有关 ,分别是环青
海湖地区、青海中南部2甘肃2四川2西藏东北部区域、
云南、西藏林芝米林地区。这和以往研究认为的青藏
高原冬虫夏草的遗传分化发生于南北方向 ,即不同纬
度之间的结果相吻合[4~6 ] 。与采用 ISSR 标记获得的
我国冬虫夏草资源可分成环青海湖地区、青海中东
部、青海南部、云南和西藏2四川 5 个产区的分布格局
略有差异[4 ,16 ] ,主要是对西藏及四川冬虫夏草在系统
关系划分上有所不同。这可能与采用的分子标记所
反映的遗传差异不同有关。ISSR 标记即简单序列重
复区间扩增多态性[17 ] 是利用生物基因组中常出现的
简单序列重复 SSR(simple sequence repeat)设计引物 ,
检测多态性的一种分子标记。冬虫夏草 ITS 序列只
反映了 ITS12518S2ITS2 区段 492 个碱基的差异。冬
虫夏草 ITS1 和 ITS2 序列中 GC的量与冬虫夏草居群
的纬度呈极显著正相关 ,表明该序列变化与冬虫夏草
居群的地理分布关系密切。基于 rDNA2ITS 序列微
小差异更能反映我国冬虫夏草资源在大尺度地理范
围的分布格局 ,进一步证实了冬虫夏草的遗传分化主
要发生于不同纬度间。冬虫夏草仅分布于我国青藏
图 2  基于 21 个冬虫夏草居群和 17 个 GenBank 中代
表性的冬虫夏草及相关真菌 rDNAITS序列
的 NJ 系统树
Fig. 2  NJ Dendrogram in 21 C1 sinensis populations
and 17 C1 sinensis and related fungus from
GenBank based on rDNA ITS sequence
高原海拔 3 000~5 100 m的高寒草甸区 ,而青藏高原
地势西高东低、山脉主要是东西走向和西北2东南走
向。冬虫夏草主要依靠子囊孢子的弹射进行有限距
离的传播 ,其寄主昆虫存在种间隔离且迁移能力不
强。山脉等地理隔离引起冬虫夏草居群的遗传分化
并形成随纬度分布的格局。
通常 rDNA2ITS序列具有物种的特异性 ,在种内
的变异相对较小。对我国 21 个不同地理分布的冬虫
夏草居群的 rDNA2ITS 序列分析表明 ,冬虫夏草的
rDNA2ITS序列与蛹虫草和中国拟青霉差异明显 ,具
有种的特异性。在种内 21 个居群间的差异较小 ,遗
传距离仅为 0~01018。而通过对本研究测得的 21 个
冬虫夏草 rDNA2ITS 序列和 GenBank 中有代表性的
冬虫夏草的同源序列的系统发育分析认为 , GenBank
中的少量冬虫夏草 ITS 序列变异已经超出了种内变
异的范围 (图 2 ,第Ⅱ和第Ⅲ支) ,这部分序列主要是由
Kinjo 等[13 ]提交的。Kinjo 等[13 ] 基于该序列获得 11
·511·中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs  第 40 卷第 1 期 2009 年 1 月
个产地冬虫夏草的遗传距离大于 011 ,即便是同样来
自于青海或四川的样品。Chen 等[12 ] 认为真菌的 ITS
序列遗传距离大于 0105 则代表不同的种。Chen
等[12 ]基于 ITS12518S2ITS2 序列获得 17 个产地冬虫
夏草的遗传距离为 0~01031 ,这尚不包括变异较大的
环青海湖地区的样品 ,但其变异程度远大于本研究的
21 个冬虫夏草居群 (图 2 ,第Ⅰ支) 。Stensrud 等[14 ] 对
GenBank 中冬虫夏草 rDNA2ITS序列的分析认为类似
于图 2 的 3 个分支均为冬虫夏草的神秘 (系统发育的)
种 ,尽管它们在序列上的差异甚至超越物种科属间的
变化。本研究所测定的冬虫夏草居群分布范围较广 ,
但其 rDNA2ITS 序列的变化并不大。而以往研究获
得的冬虫夏草该序列[12 ,13 ] 及 GenBank 中相关序列所
存在的巨大差异 ,可能并不是实验样品采集地不同所
能解释的。这些有较大变异的 rDNA2ITS 序列大多
是从天然冬虫夏草分离培养后测序获得的 ,与本研究
直接选用冬虫夏草子座不同。冬虫夏草是青藏高原
的特有种 ,在高海拔缺氧低温等极端环境下生长的冬
虫夏草与人工培养的冬虫夏草之间是否存在遗传差
异 ,人工分离培养过程中冬虫夏草是否会产生变异等
问题有待进一步研究。
致谢 :重庆市中药研究院钟国跃研究员、西藏农
牧学院卢杰老师、复旦大学生命科学学院钟扬教授、
浙江农科院计东风研究员、青海省畜牧兽医科学院
徐海峰先生、兰州大学生命科学学院金樑老师为本
研究冬虫夏草样品的收集等提供帮助。
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雷  栗1 ,3 ,王  益1 ,赵阿曼1 ,朱培林2 3 ,周世良1①
(11 中国科学院植物研究所 系统与进化植物学国家重点实验室 ,北京  100093 ; 21 江西省林业科学院 ,
江西 南昌  330032 ; 31 中国科学院研究生院 ,北京  100039)
摘  要 :目的  分析来自江西省樟树、丰城、新干等 3 个栀子 GA P 基地的样品在 DNA 水平上的差异 ,了解栀子的
遗传变异及其相互关系 ,为栀子育种提供参考。方法  采用 ISSR 分子标记技术结合实地考察。结果  10 个 ISSR
引物共扩增出 58 个位点 ,其中 32 个位点为多态位点 ,多态位点百分率 ( P PB) 值为 55117 %。Nei′s 遗传多样性指
数变化范围在 01005~01167 ,Shannon 信息指数 ( I)变化范围在 01008~01254。居群内变异占总变异的 75112 % ,
居群间变异占总变异的 24188 %。用 NJ 法建立聚类图大体上可以将栀子样品分为两组 :第一组由樟树的样品组
成 ,而第二组主要由新干和丰城的样品组成 ,内含樟树的个别样品。结论  来自同一个地方的样品 ,遗传距离比较
近 ,遗传上比较相似 ,说明栀子种源基本上来自当地。ISSR 分子标记大体上可以将不同地方的栀子分开。产于樟
树的栀子遗传多样性最高 ,可能种源相对比较广。丰城和新干的样品地理距离比较远 ,但是遗传距离却比较近 ,可
·611· 中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs  第 40 卷第 1 期 2009 年 1 月
①收稿日期 :2008206216
基金项目 :江西省财政林业重大专项 (2006510105) :“森林中药 GAP 种植技术研究”
作者简介 :雷 栗 (1983 —) ,女 ,云南昭通人 ,中国科学院植物研究所在读硕士研究生 ,主要从事植物系统学及居群生物学研究。3 通讯作者 朱培林 Tel : (0791) 3833803  E2mail :yczpl @126. com