廖錦鈺 黃莉萍 張戰(zhàn)泓 張德詠 譚新球 劉勇 史曉斌
摘要 :番茄褪綠病毒Tomato chlorosis virus(ToCV)是一種由煙粉虱Bemisia tabaci傳播的正義單鏈RNA病毒,在田間常與番茄黃化曲葉病毒Tomato yellow leaf curl virus(TYLCV)復(fù)合侵染而造成番茄生產(chǎn)上重大的經(jīng)濟(jì)損失。為了明確ToCV與TYLCV的復(fù)合侵染對煙粉虱傳播ToCV所造成的影響,本文采用RT-PCR以及qRT-PCR檢測了復(fù)合侵染的番茄對煙粉虱獲取和傳播ToCV的影響。研究表明,煙粉虱取食復(fù)合侵染的番茄后對ToCV的傳播效率顯著提高,僅25頭煙粉虱的傳毒率即可達(dá)到100%,ToCV在煙粉虱以及番茄體內(nèi)的累積量均顯著提高。說明這種復(fù)合侵染促進(jìn)了煙粉虱對ToCV的傳播,在田間應(yīng)當(dāng)及時防控?zé)煼凼?,警惕病毒與煙粉虱的蔓延。
關(guān)鍵詞 :番茄褪綠病毒; 番茄黃化曲葉病毒; 煙粉虱; 復(fù)合侵染
中圖分類號:
S 436.412.11
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI: 10.16688/j.zwbh.2020063
Influence of co-infection of Tomato chlorosis virus and Tomato yellow
leaf curl virus on the transmission of Tomato chlorosis virus
LIAO Jinyu1,2, HUANG Liping1,2, ZHANG Zhanhong3, ZHANG Deyong2, TAN Xinqiu2, LIU Yong2*, SHI Xiaobin1,2*
(1. Subcollege of Longping, Graduate School of Hunan University, Changsha 410128, China;
2. Hunan Plant Protection Institute, Hunan Academy of Agricultural Sciences, Changsha 410125, China;
3. Hunan Vegetable Institute, Hunan Academy of Agricultural Sciences, Changsha 410125, China)
Abstract
Tomato chlorosis virus (ToCV) is a positive single-stranded RNA virus transmitted by Bemisia tabaci, which is usually co-infected with Tomato yellow leaf curl virus (TYLCV) in the field and causes significant economic losses in tomato production. In order to clarify the influence of co-infection of ToCV and TYLCV on the transmission of ToCV, RT-PCR and real-time quantitative PCR were used to detect the effect of co-infection on the virus acquisition and transmission of ToCV by B.tabaci. The results showed that the ToCV transmission efficiency was significantly improved after co-infection. Only 25 B.tabaci individuals could cause a 100% transmission rate, and the quantities of ToCV in B.tabaci and tomato were significantly increased. This co-infection promoted the spread of ToCV by B.tabaci. The whitefly should be prevented timely, and the spread of virus and whitefly should be highly regarded in the field.
Key words
Tomato chlorosis virus; Tomato yellow leaf curl virus; Bemisia tabaci; co-infection
番茄褪綠病毒Tomato chlorosis virus (ToCV),隸屬于長線性病毒科Closteroviridae,毛形病毒屬Crinivirus,是一種由煙粉虱Bemisia tabaci傳播的半持久性RNA病毒,于2004年在我國臺灣首次報道[1]。番茄黃化曲葉病毒Tomato yellow leaf curl virus (TYLCV),隸屬于雙生病毒科Geminiviridae,菜豆金色花葉病毒屬Begomovirus,是一種單鏈環(huán)狀DNA植物病毒,田間依靠煙粉虱以持久性非增殖方式傳播,于2006年在我國上海首次報道[2]。ToCV與TYLCV的發(fā)病時期和所需的環(huán)境條件大致相同,傳播媒介相似,發(fā)病癥狀均表現(xiàn)為葉片黃化,其主要區(qū)別在于ToCV通常表現(xiàn)為老葉先發(fā)病,葉片脈間黃化褪綠,同時變厚變脆且邊緣向內(nèi)卷曲;而TYLCV通常表現(xiàn)為新葉先發(fā)病,葉緣逐漸黃化,同時變小皺縮且向上卷曲[34]。此外,ToCV與TYLCV發(fā)病的潛伏期差異較大,ToCV的潛伏期較長,一般需要3~4周才能表現(xiàn)出癥狀,而TYLCV的潛伏期較短,一般7~10 d就開始表現(xiàn)發(fā)病癥狀[34]。ToCV在田間極易與TYLCV復(fù)合侵染,TYLCV和ToCV的復(fù)合侵染于2014年首次在山東發(fā)現(xiàn),隨后在江蘇和云南相繼報道并且呈逐年上升趨勢[57]。據(jù)統(tǒng)計,從2013年至2017年,TYLCV的檢出率在全國番茄病毒中排名第3,ToCV已經(jīng)成為北京及山東地區(qū)侵染番茄的優(yōu)勢種[8],TYLCV與ToCV均能給番茄造成10%以上的減產(chǎn)幅度,嚴(yán)重時甚至絕收[4,910],給我國番茄生產(chǎn)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。
病毒的復(fù)合侵染往往會產(chǎn)生協(xié)生作用,對寄主植物造成不可估量的傷害。已有大量研究表明,病毒的復(fù)合侵染會提高病毒的致病性,造成更為嚴(yán)重的發(fā)病癥狀,從而加速寄主植物死亡[1113]。復(fù)合侵染還能增加病毒發(fā)生基因重組的幾率,進(jìn)而產(chǎn)生具有更強致病力和更廣寄主范圍的新病毒[1416]。目前對于ToCV與TYLCV復(fù)合侵染的研究主要以分子鑒定以及病害流行為主,二者復(fù)合侵染后對寄主植物的影響以及其與介體昆蟲相互作用的研究較少,本文重點研究了TYLCV和ToCV復(fù)合侵染番茄對煙粉虱的獲毒能力和傳毒率以及ToCV在煙粉虱和番茄體內(nèi)累積量的影響,從而明確復(fù)合侵染是否影響煙粉虱對ToCV的傳播,為研究TYLCV和ToCV復(fù)合侵染后二者的協(xié)生作用及其分子機制奠定基礎(chǔ),也為ToCV及TYLCV的防控策略提供新思路。
1 材料與方法
1.1 試驗材料
供試毒源:ToCV單獨侵染、ToCV與TYLCV復(fù)合侵染的番茄采自山東壽光,并且經(jīng)過PCR以及小RNA測序檢測無其他病毒復(fù)合侵染。將毒株移栽至湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所溫室,在不同隔間中單獨培養(yǎng),分別采用蟲傳的方法獲取毒株:取健康Q型煙粉虱用帶毒番茄喂飼48 h以獲得攜帶ToCV和攜帶ToCV與TYLCV的煙粉虱,經(jīng)隨機取樣檢測確認(rèn)帶毒后,用微蟲籠轉(zhuǎn)移帶毒煙粉虱至3~4片真葉期的健康番茄上,每株番茄接種50頭,取食48 h后移除煙粉虱,30 d后取番茄植株最上部的葉片,采用1.2中RT-PCR法檢測傳毒是否成功。每月定期蟲傳,以保證毒株的供應(yīng)。
供試植株:番茄品種為‘中雜9號(Lycopersicon esculentum ‘Zhongza 9),于溫室內(nèi)培育,(26±1)℃、RH(70±5)%、光周期L∥D=16 h∥8 h,未接觸任何農(nóng)藥和昆蟲。
供試?yán)ハx:Q型煙粉虱,由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所張友軍研究員課題組饋贈,飼喂于番茄植株上,之后放在養(yǎng)蟲籠內(nèi)用無蟲番茄繼代飼養(yǎng),每隔兩個月進(jìn)行生物型鑒定[17]。
1.2 番茄與煙粉虱帶毒情況檢測
1.2.1 番茄中ToCV的鑒定
采用RT-PCR法檢測番茄ToCV的感染情況,采用華越洋多糖多酚植物RNA提取試劑盒按照說明書步驟提取番茄總RNA。cDNA合成使用南京諾維贊(Vazyme)生物公司Hiscript Ⅱ 1st Strand cDNA Synthesis Kit (+gDNA wiper),按照說明書步驟合成cDNA用作RT-PCR模板。
以表1中ToCV-3F/ToCV-3R為特異性引物,使用南京諾維贊(Vazyme)生物公司2×Taq Plus Master MixⅡ (Dye Plus)試劑盒,按照說明書步驟進(jìn)行PCR擴(kuò)增。PCR產(chǎn)物經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳檢測,在凝膠成像系統(tǒng)上觀察并記錄結(jié)果,目的條帶經(jīng)純化回收后送生工生物工程(上海)股份有限公司測序分析。
1.2.2 番茄中TYLCV的鑒定
采用PCR法檢測番茄TYLCV的感染情況。用CTAB法提取番茄總DNA。以表1中TYLCV-F/TYLCV-R為特異性引物,使用2×Taq Plus Master Mix Ⅱ (Dye Plus)試劑盒,按照說明書步驟進(jìn)行PCR擴(kuò)增。PCR產(chǎn)物經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳檢測,在凝膠成像系統(tǒng)上觀察并記錄結(jié)果,目的條帶經(jīng)純化回收后送生工生物工程(上海)股份有限公司測序分析。
1.2.3 煙粉虱中ToCV的鑒定
煙粉虱RNA提取采用TRIzol (Invitrogen公司)法,將煙粉虱樣品置于RNase free 的1.5 mL 離心管中,用液氮冷凍后研磨,參照說明書提取總RNA,后續(xù)鑒定步驟參照1.2.1。
1.3 番茄褪綠病毒SYBR Green I 實時熒光定量PCR體系建立
本試驗采用高利利建立的番茄褪綠病毒SYBR Green I 實時熒光定量 PCR 體系[18],基于ToCV RNA2鏈的HSP70基因保守區(qū)設(shè)計引物ToCV-qF和ToCV-qR(表1),目的片段長度為190 bp,經(jīng)驗證該引物特異性及擴(kuò)增效率良好。
1.3.1 ToCV基因片段克隆與鑒定
以ToCV的反轉(zhuǎn)錄cDNA為模板,以ToCV-qF和ToCV-qR為引物,使用2×Taq Plus Master Mix Ⅱ (Dye Plus)試劑盒進(jìn)行PCR擴(kuò)增,得到190 bp目的條帶,使用Gel Extration Kit回收試劑盒(OMEGA生物公司)純化回收目的片段,連接至pMD18-T Vector(TaKaRa),并轉(zhuǎn)化感受態(tài)細(xì)胞TreliefTM5α Chemically Competent Cell(北京擎科生物有限公司),37℃過夜培養(yǎng)后,以ToCV-qF和ToCV-qR為引物進(jìn)行菌落PCR檢測,將陽性克隆送至上海生物工程有限公司測序。
1.3.2 ToCV質(zhì)粒標(biāo)準(zhǔn)品的制備
選擇測序序列完全正確的陽性克隆接種于含有氨芐青霉素(100 mg/L Amp+)的LB液體培養(yǎng)基,37℃,250 r/min 培養(yǎng)過夜,提取質(zhì)粒,利用紫外分光光度計檢測質(zhì)粒濃度及OD值后保存至-20℃。運用公式:C=A/B×6.02×1023(A 為質(zhì)粒濃度g/μL,B為質(zhì)粒DNA分子量,C為質(zhì)粒濃度拷貝/μL)計算出質(zhì)粒濃度拷貝數(shù),將其作為ToCV質(zhì)粒標(biāo)準(zhǔn)品使用。
1.3.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立
將質(zhì)粒標(biāo)準(zhǔn)品用DNase/RNase free water(天根生化科技有限公司)按照10倍梯度進(jìn)行稀釋,獲得終濃度為1.1×105~1.1×1011 拷貝/μL的7個質(zhì)粒樣品,使用南京諾維贊(Vazyme)生物公司qRT-PCR試劑盒按照說明書在實時熒光定量PCR儀(BioRad CFX96梯度熒光定量PCR儀,伯樂,美國)上進(jìn)行qRT-PCR,每個濃度進(jìn)行3次技術(shù)重復(fù),儀器自動生成標(biāo)準(zhǔn)曲線。
1.4 復(fù)合侵染對煙粉虱獲取ToCV效率的影響
分別取80頭無毒健康、初羽化的煙粉虱,饑餓處理2 h后轉(zhuǎn)移至經(jīng)測定ToCV病毒量相近的復(fù)合侵染和ToCV單獨侵染30 d后的番茄上,飼毒48 h后,隨機取10頭煙粉虱提取單頭煙粉虱的RNA,采用1.2.3所述方法檢測其帶毒情況,并計算單頭煙粉虱的帶毒率,重復(fù)5次。
1.5 復(fù)合侵染對煙粉虱體內(nèi)ToCV累積量的影響
分別取80頭無毒健康、初羽化的煙粉虱,饑餓處理2 h后轉(zhuǎn)移至經(jīng)測定ToCV病毒含量相近的復(fù)合侵染和ToCV單獨侵染30 d后的番茄上,飼毒48 h后,隨機取10頭煙粉虱參照1.2.3方法提取總RNA,統(tǒng)一定量為500 ng且嚴(yán)格控制RNA質(zhì)量(A260/A280為1.8~2.1),反轉(zhuǎn)錄后進(jìn)行qRT-PCR檢測,同時按照1.3.2方法建立回歸方程,將得到的Ct值帶入回歸方程算出ToCV的拷貝數(shù),每個處理重復(fù)5次。
1.6 復(fù)合侵染對ToCV傳毒率的影響
取適量無毒健康、初羽化的煙粉虱,饑餓處理2 h后轉(zhuǎn)移至ToCV病毒含量相近的復(fù)合侵染和ToCV單獨侵染的番茄上飼毒48 h,用微蟲籠轉(zhuǎn)移不同數(shù)量(5、10、25、50頭)的帶毒煙粉虱至3~4片真葉期的健康番茄上,48 h后移除煙粉虱,30 d后采用1.2.1所述方法檢測其帶毒情況,并計算發(fā)病率。每個處理用10株番茄苗,每個處理重復(fù)5次。
1.7 復(fù)合侵染對番茄體內(nèi)ToCV累積量的影響
取適量無毒健康、初羽化的煙粉虱,饑餓處理2 h后轉(zhuǎn)移至ToCV病毒含量相近的復(fù)合侵染和ToCV單獨侵染的番茄上飼毒48 h,用微蟲籠轉(zhuǎn)移50頭帶毒煙粉虱至3~4片真葉期的健康番茄上,48 h后移除煙粉虱,30 d后取番茄頂部葉片參照121方法提取總RNA,統(tǒng)一定量為500 ng且嚴(yán)格控制RNA質(zhì)量(A260/A280為1.8~2.1),反轉(zhuǎn)錄后進(jìn)行qPCR檢測,同時按照1.3.2方法建立回歸方程,將得到的Ct值帶入回歸方程算出ToCV的拷貝數(shù),每個處理重復(fù)5次。
1.8 數(shù)據(jù)處理
所有數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2010軟件記錄并整理試驗結(jié)果,采用IBM SPSS Statistics 19軟件進(jìn)行分析,其中復(fù)合侵染對煙粉虱獲取ToCV的獲毒率影響、復(fù)合侵染對煙粉虱體內(nèi)ToCV病毒量的影響以及復(fù)合侵染對番茄體內(nèi)ToCV病毒量的影響均采用獨立樣本t測驗(t-test)進(jìn)行方差分析和差異顯著性檢驗;復(fù)合侵染對ToCV傳毒率的影響從兩個方面進(jìn)行分析:在相同煙粉虱數(shù)量時,兩種侵染方式的番茄帶毒率進(jìn)行獨立樣本t測驗(t-test);在相同侵染方式下,不同數(shù)量的煙粉虱傳毒后番茄的帶毒率進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)。
2 結(jié)果與分析
2.1 番茄褪綠病毒SYBR Green I實時熒光定量PCR體系建立
在質(zhì)粒標(biāo)準(zhǔn)品濃度為1.1×105~1.1×109 拷貝/μL范圍內(nèi),Ct 值與質(zhì)粒標(biāo)準(zhǔn)品濃度之間呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系(圖1),標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率為-3.304 8,決定系數(shù)R2=0.995 4,擴(kuò)增效率為100%,直線方程為y=-3.304 8x+48.577。該標(biāo)準(zhǔn)曲線可用于后續(xù)ToCV含量的測定。
2.2 復(fù)合侵染對煙粉虱獲取ToCV效率的影響
在復(fù)合侵染番茄上飼毒48 h后單頭煙粉虱帶毒率為80%,顯著高于在ToCV單獨侵染番茄上飼毒48 h后單頭煙粉虱的帶毒率64%(圖2)。
2.3 復(fù)合侵染對煙粉虱體內(nèi)ToCV積累量的影響
煙粉虱在ToCV單獨侵染的番茄植株上取食48 h后,體內(nèi)ToCV病毒拷貝數(shù)為1.59×107拷貝/μL,而在復(fù)合侵染番茄植株上取食48 h后,體內(nèi)ToCV病毒拷貝數(shù)為6.79×107拷貝/μL,約為前者的4倍(圖3)。
2.4 復(fù)合侵染對ToCV傳毒率的影響
取食復(fù)合侵染和單獨侵染的番茄后,煙粉虱對ToCV的傳毒率均隨煙粉虱數(shù)量增加呈上升趨勢,其中,取食復(fù)合侵染的番茄后,10頭煙粉虱對ToCV的傳毒率可達(dá)到55%,25頭煙粉虱的傳毒率接近100%,而取食ToCV單獨侵染的番茄后,10頭和25頭煙粉虱對ToCV的傳毒率均低于80%。煙粉虱數(shù)量相同時,從復(fù)合侵染番茄上獲毒后對ToCV的傳毒率均顯著高于從單獨侵染的番茄上獲毒的煙粉虱的傳毒率,煙粉虱數(shù)量為50頭時,從復(fù)合侵染或單獨侵染番茄上獲毒后對ToCV的傳毒率均可達(dá)到100%(圖4)。
2.5 復(fù)合侵染對番茄體內(nèi)ToCV累積量的影響
取食復(fù)合侵染和ToCV單獨侵染番茄的煙粉虱傳毒后,番茄體內(nèi)ToCV的累積量增長情況如圖5所示。傳毒30 d后,接種ToCV的番茄體內(nèi)ToCV累積量為1.40×109拷貝/μL,而復(fù)合侵染的番茄體內(nèi)ToCV的累積量達(dá)到了7.68×109拷貝/μL,比單獨接種ToCV的番茄高約4倍。
3 討論
在田間一種植物可以感染多種病毒,并且很多復(fù)合侵染的病毒均由一種介體昆蟲傳播,例如ToCV與TYLCV均由煙粉虱傳播。近年來,我國TYLCV與ToCV的復(fù)合侵染呈逐年上升趨勢[57],而ToCV的發(fā)生也由局部地區(qū)逐漸向全國擴(kuò)張[4,8,1921]。本試驗重點研究了ToCV和TYLCV復(fù)合侵染是否影響媒介昆蟲煙粉虱對ToCV的獲取和傳播,發(fā)現(xiàn)煙粉虱取食ToCV與TYLCV復(fù)合侵染的番茄植株48 h后,單頭煙粉虱的ToCV帶毒率以及ToCV累積量顯著高于取食ToCV單獨侵染番茄的煙粉虱,這表明ToCV與TYLCV的復(fù)合侵染提高了煙粉虱對ToCV的獲取能力。煙粉虱取食復(fù)合侵染的番茄后對ToCV的傳播效率明顯增加,25頭煙粉虱的傳毒效率接近100%,這可能是由于取食復(fù)合侵染番茄的煙粉虱獲得了更高的帶毒率以及帶毒量。植物病毒可以通過與其媒介昆蟲體內(nèi)的某些蛋白互作來影響自身的傳播,例如前期研究發(fā)現(xiàn)ToCV能與煙粉虱的嗅覺蛋白OBP3互作,通過影響煙粉虱對植物的選擇性來操控?zé)煼凼瓊鞫綶22],本研究發(fā)現(xiàn)攜帶兩種病毒后煙粉虱獲取和傳播ToCV的能力顯著提高,可能是由于同時攜帶兩種病毒的煙粉虱體內(nèi)某種與ToCV互作的蛋白活性發(fā)生了變化。此外,有研究發(fā)現(xiàn)攜帶TYLCV的煙粉虱能夠通過抑制植物茉莉酸防御途徑,激活揮發(fā)物新植二烯的產(chǎn)生而促進(jìn)病毒傳播[23],結(jié)合我們的研究可以推測,同時攜帶TYLCV和ToCV的煙粉虱可能抑制了某種植物防御途徑,而這種防御途徑是對抗ToCV侵染的有效途徑。該推測還需要進(jìn)一步的試驗驗證。在大田環(huán)境下,ToCV和TYLCV的復(fù)合侵染經(jīng)常發(fā)生,同時伴隨著大量煙粉虱在田間繁殖。本研究從復(fù)合侵染的植物入手,解析了近年來ToCV在我國迅速擴(kuò)散傳播的原因。本研究只研究了復(fù)合侵染對煙粉虱傳播ToCV的影響,下一步還需要繼續(xù)研究復(fù)合侵染對煙粉虱傳播TYLCV的影響。
ToCV能與多種病毒發(fā)生復(fù)合侵染,如番茄斑萎病毒Tomato spotted wilt virus (TSWV)、鳳果花葉病毒Pepino mosaic virus (PMV)等[2425]。在病毒的協(xié)生作用中,一種病毒激發(fā)另一種病毒增殖的現(xiàn)象非常常見,例如馬鈴薯Y病毒可以作為激發(fā)病毒促進(jìn)其他異源病毒的復(fù)制[2627],TSWV與ToCV復(fù)合侵染能夠促進(jìn)ToCV在番茄體內(nèi)的復(fù)制,從而加快寄主植物的死亡[24]。目前為止,大量研究表明復(fù)合侵染產(chǎn)生的協(xié)生作用是由于其中一種病毒抑制了宿主的防御機制或者促進(jìn)了病毒在寄主體內(nèi)的移動,例如,馬鈴薯A病毒Potato virus A (PVA)與馬鈴薯卷葉病毒Potato leaf roll virus (PLRV)復(fù)合侵染后,PVA的沉默抑制子P1/HC-Pro通過抑制植物抗病毒防御機制導(dǎo)致PLRV在植物體內(nèi)的積累顯著增加,同時觀察到PLRV病毒粒子離開韌皮部感染葉肉細(xì)胞[28];黃瓜花葉病毒Cucumber mosaic virus (CMV)的2b蛋白能夠干擾煙草中限制馬鈴薯Y病毒Potato virus Y (PVY)傳播的防御機制,從而導(dǎo)致二者復(fù)合侵染后PVY能夠侵染所有煙草組織[29]。本研究發(fā)現(xiàn),從復(fù)合侵染的番茄上獲毒的煙粉虱傳毒30 d后,感病番茄體內(nèi)ToCV的累積量顯著高于從ToCV單獨侵染的番茄上獲毒后再侵染的番茄,這表明在復(fù)合侵染的過程中,TYLCV很可能作為激發(fā)病毒促進(jìn)ToCV在番茄植株內(nèi)的增殖,或者TYLCV的某種蛋白干擾了番茄體內(nèi)限制ToCV傳播的防御機制,從而促進(jìn)了ToCV在番茄體內(nèi)的移動。復(fù)合侵染時病毒之間的互作極其復(fù)雜,涉及到病毒與病毒、病毒與環(huán)境、病毒與寄主間的相互作用,不同寄主、溫度、光照以及病毒侵染的次序和濃度都會影響協(xié)生作用[30],對于ToCV與TYLCV復(fù)合侵染番茄后二者在番茄體內(nèi)的互作還需要進(jìn)一步研究。
本研究發(fā)現(xiàn)ToCV和TYLCV的復(fù)合侵染促進(jìn)了煙粉虱對ToCV的傳播,這將導(dǎo)致ToCV的進(jìn)一步擴(kuò)散和蔓延。因此,明確復(fù)合侵染情況下病毒與媒介昆蟲互作以及病毒協(xié)生作用的分子機制,對植物病毒病的防治具有重要意義,同時在田間應(yīng)該及時防治煙粉虱,以減少煙粉虱對病毒的傳播。
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(責(zé)任編輯:楊明麗)