施河麗,彭五星,向修志,舒照鶴,向必坤,王雪松,上官力,尹忠春,祁高富,譚 軍*
γ-聚谷氨酸高產(chǎn)菌株的篩選及改良酸化植煙土壤效果研究
施河麗1,彭五星1,向修志1,舒照鶴1,向必坤1,王雪松1,上官力1,尹忠春1,祁高富2*,譚 軍1*
(1.湖北省煙草公司恩施州公司,湖北 恩施 445000;2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院,武漢 430070)
為挖掘具有緩解植煙土壤酸化能力的微生物菌株,采用盆栽試驗(yàn)和大田試驗(yàn)相結(jié)合的方法,應(yīng)用生物形態(tài)學(xué)和分子生物學(xué)篩選鑒定了γ-聚谷氨酸(γ-PGA)高產(chǎn)菌株并研究其對酸化植煙土壤的改良效果。結(jié)果表明:(1)從黃土高原干旱土壤中篩選得到一株谷氨酸非依賴型γ-PGA高產(chǎn)菌株副地衣芽孢桿菌285-3();(2)菌株285-3可有效緩解根系分泌物和復(fù)合肥料導(dǎo)致的土壤酸化,土壤pH平均提高0.3個(gè)單位以上;(3)菌株285-3配施有機(jī)肥,可顯著降低酸化植煙土壤可交換酸度,對煙草青枯病的防效達(dá)到47.05%,同時(shí)提高煙葉產(chǎn)質(zhì)量。綜上所述,副地衣芽孢桿菌285-3對酸化植煙土壤有較好的改良效果,與有機(jī)肥合用具有控病和提高煙葉產(chǎn)質(zhì)量的作用。
酸化植煙土壤;副地衣芽孢桿菌;γ-聚谷氨酸;煙草青枯?。粺熑~產(chǎn)質(zhì)量
土壤酸化進(jìn)程的加速,既受外源氮沉降、酸沉降的影響,又受化學(xué)肥料施用、植物選擇性吸收、根系呼吸及根系分泌物等影響[1]。近年來我國煙區(qū)土壤酸化日趨嚴(yán)重[2],導(dǎo)致青枯病等土傳病害的發(fā)生及流行加重[3-4],對煙草生長和優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。目前對酸化土壤的改良主要是改變施肥方式以及使用土壤改良劑,如傳統(tǒng)的土壤改良劑生石灰(或石灰粉)、沸石、白云石、粉煤灰等,以及新型的土壤改良劑如牡蠣殼粉、生物質(zhì)炭、腐殖酸等。隨著研究的不斷深入,化學(xué)改良劑的弊端逐漸顯現(xiàn),如長期施用生石灰導(dǎo)致土壤板結(jié)、肥力下降[5-6],不利于煙葉生產(chǎn)的長遠(yuǎn)發(fā)展。因此,有學(xué)者提出利用生物技術(shù)改良酸化土壤的方法,特別是利用微生物對酸化土壤進(jìn)行修復(fù)[7-8]。芽孢桿菌具有適應(yīng)性廣、成本低、貨架期長、使用方便等優(yōu)點(diǎn),因而受到廣泛關(guān)注。芽孢桿菌還能產(chǎn)生多種有益次生代謝產(chǎn)物,如多肽、環(huán)肽、氨基酸、蛋白酶及香豆素等,其中γ-聚谷氨酸(γ-PGA)就是枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌等產(chǎn)生的高聚物[9]。γ-PGA主鏈上具有大量游離羧基,有很強(qiáng)的吸水保濕功能,可以改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu),起到保水保肥作用[10-12];還可以直接中和土壤中的氫離子以及為金屬陽離子的吸附提供位點(diǎn),減少堿性陽離子的淋失,提高土壤的緩沖能力,從而維持土壤pH的穩(wěn)定[13-14]。
本文從山西呂梁地區(qū)黃土高原干旱土壤中篩選獲得一株谷氨酸非依賴型γ-PGA高產(chǎn)菌株副地衣芽孢桿菌285-3(),并研究其對酸化植煙土壤的改良效果。首先利用盆栽試驗(yàn)研究該菌株對根系分泌物和復(fù)合肥料導(dǎo)致的土壤酸化的影響,然后利用大田試驗(yàn)研究該菌株與有機(jī)肥合用對酸化植煙土壤、煙草青枯病以及煙葉產(chǎn)質(zhì)量的影響,為利用γ-PGA高產(chǎn)菌株改良酸化植煙土壤和防治煙草青枯病建立研究基礎(chǔ)。
2019年1月從山西呂梁交城地區(qū)黃土高原采集土壤,稱取10 g,加入90 mL ddH2O懸浮土壤,置沸水浴5 min。冷卻后將土壤懸液進(jìn)行梯度稀釋,于LB固體平板上進(jìn)行涂布,37 ℃培養(yǎng)24 h,挑選形態(tài)大、表面光滑、濕潤、粘度高的單菌落。
將挑選的單菌落接入到發(fā)酵培養(yǎng)基(葡萄糖30.0 g/L,檸檬酸鈉10.0 g/L,氯化銨8.0 g/L,磷酸氫二鉀0.5 g/L,七水合硫酸鎂0.5 g/L,六水合三氯化鐵0.04 g/L,無水氯化鈣0.15 g/L,一水合硫酸錳0.1 g/L,pH 7.4)中,37 ℃、180 r/min培養(yǎng)36 h,所得發(fā)酵液經(jīng)12000 r/min離心10 min后收集上清液,然后采用CTAB比濁法定量測定各菌株發(fā)酵上清液中γ-PGA產(chǎn)量[15]。
選取γ-PGA產(chǎn)量最高的菌株,將其在LB固體平板上劃線分離單菌落,37 ℃培養(yǎng)24 h后觀察菌落形態(tài),并利用結(jié)晶紫染色后觀察細(xì)胞形狀和芽孢。采用細(xì)菌基因組DNA提取試劑盒(Tiangen)并參照說明書方法提取菌株DNA,以16S通用引物(16SF:AAGGAGGTGATCCAGCCGCA;16SR:AGAGTTTGATCCTGGCTCAG)進(jìn)行PCR擴(kuò)增。PCR反應(yīng)體系為:正反向引物各1 μL,模板2 μL,2×Taq Master super Mix 25 μL,ddH2O 21 μL。PCR擴(kuò)增條件為:94 ℃ 5 min;94 ℃ 45 s,57 ℃ 1 min,72 ℃ 2 min,30個(gè)循環(huán);72 ℃ 10 min。PCR產(chǎn)物純化后由生工生物工程(上海)股份有限公司進(jìn)行測序。將測序結(jié)果在NCBI上進(jìn)行Blast比對,然后利用MEGA 5.2軟件的鄰接法(Neighbor-joining)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。
盆栽試驗(yàn)于2021年5—7月在湖北省武漢市華中農(nóng)業(yè)大學(xué)微生物農(nóng)藥國家工程研究中心進(jìn)行。供試烤煙品種為云煙87。盆栽試驗(yàn)土壤采集于湖北省恩施土家族苗族自治州宣恩縣椒園鎮(zhèn)鑼圈巖村,土壤類型為山地黃棕壤,土壤質(zhì)地為壤土,土壤pH為5.50~5.90。將試驗(yàn)土壤裝于高10 cm、直徑12 cm的圓形塑料花盆,移栽6片真葉煙苗,每盆1株,移栽成活后備用。有機(jī)酸溶液為苯甲酸180 mg/L,3-苯丙酸180 mg/L,延胡索酸180 mg/L,琥珀酸84 mg/L。
1.2.1有機(jī)酸溶液模擬根系分泌物導(dǎo)致的土壤酸化對照組(CK)和處理組(285-3)煙苗分別于第0天、第14天和第28天灌施有機(jī)酸溶液20 mL/株,模擬煙株根系分泌物導(dǎo)致的土壤酸化。第1次有機(jī)酸處理后,處理組煙苗灌施菌株285-3發(fā)酵液(稀釋5倍)20 mL/株,對照組煙苗灌施空白發(fā)酵培養(yǎng)基(稀釋5倍)20 mL/株。
1.2.2 復(fù)合肥料導(dǎo)致的土壤酸化 對照組(CK)和處理組(285-3)煙苗分別于第0天、第14天和第28天施用煙草專用復(fù)合肥9.75 g/株,模擬復(fù)合肥料導(dǎo)致的土壤酸化。第1次復(fù)合肥處理后,處理組煙苗灌施菌株285-3發(fā)酵液(稀釋5倍)20 mL/株,對照組煙苗灌施空白發(fā)酵培養(yǎng)基(稀釋5倍)20 mL/株。
田間試驗(yàn)于2021年4—9月在湖北省恩施土家族苗族自治州宣恩縣椒園鎮(zhèn)鑼圈巖村四組進(jìn)行。供試烤煙品種和土壤類型同上述盆栽試驗(yàn)。試驗(yàn)開始前耕層(0~20 cm)土壤的基本理化性質(zhì)為:土壤pH 4.47,有機(jī)質(zhì)21.90 g/kg,堿解氮136.00 mg/kg,有效磷243.10 mg/kg,速效鉀302.00 mg/kg。
試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理,分別為:T1(CK),不施菌株285-3發(fā)酵液和菜籽餅肥;T2,單施菌株285-3發(fā)酵液2250 L/hm2;T3,單施菜籽餅肥1500 kg/hm2;T4,菌株285-3發(fā)酵液2250 L/hm2+菜籽餅肥1500 kg/hm2。每個(gè)處理3次重復(fù),隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。2021年5月1日移栽,每小區(qū)3行,每行20株,行距1.20 m,株距0.55 m。施肥配比為(N)∶(P2O5)∶(K2O)=1∶1.5∶3,各處理具體施肥量見表1。煙草專用復(fù)合肥、磷肥和菜籽餅肥作為底肥,硝銨磷肥作為提苗肥,硫酸鉀作為追肥。菌株285-3發(fā)酵液(稀釋5倍)在煙苗移栽15 d后灌施。
表1 各處理基本情況
盆栽試驗(yàn)第1次處理后,每隔7 d用五點(diǎn)法從花盆10~20 cm土層中采集土樣;大田試驗(yàn)在煙葉成熟采收結(jié)束后,用五點(diǎn)法采集每個(gè)小區(qū)0~20 cm耕層土壤。將采集的土壤樣品混勻后自然風(fēng)干、去雜、研磨和過篩,然后用于測定土壤基本化學(xué)性質(zhì)。土壤pH采用電位法(水土比2.5∶1)[16],陽離子交換量采用三氯化六氨合鈷浸提-分光光度法[17],可交換酸度、可交換氫和可交換鋁采用氯化鉀提取-滴定法[18]。
依據(jù)GB/T 23222—2008調(diào)查各處理在旺長期和成熟期煙草青枯病的發(fā)生情況,計(jì)算發(fā)病率、病情指數(shù)和防治效果。依據(jù)GB 2635—1992進(jìn)行煙葉分級,計(jì)算煙葉產(chǎn)量、產(chǎn)值、均價(jià)等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行處理,DPS 15.10統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析。
2.1.1 γ-PGA高產(chǎn)菌株的篩選 將采集的土壤經(jīng)高溫煮沸后殺死不能形成芽孢的微生物,然后適當(dāng)稀釋后涂布LB平板,發(fā)現(xiàn)稀釋度為10-5涂布后生長出來的菌落能夠較好分開,每個(gè)平板約31~56個(gè)菌落。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,γ-PGA生產(chǎn)菌株的菌落多為粘稠擴(kuò)散形態(tài),據(jù)此初篩得到11株菌落形態(tài)較為粘稠擴(kuò)散的菌株。將各菌株的單菌落接種于發(fā)酵培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng),然后采用CTAB比濁法定量測定各菌株發(fā)酵液中γ-PGA產(chǎn)量。由表2可知,篩選得到的11株菌均能生產(chǎn)γ-PGA,產(chǎn)量在7.18~20.70 g/L之間,其中以菌株285-3的產(chǎn)量最高。
表2 各菌株γ-PGA的產(chǎn)量
2.1.2 γ-PGA高產(chǎn)菌株的鑒定 首先利用解剖鏡對菌株285-3的單菌落進(jìn)行形態(tài)學(xué)觀察,發(fā)現(xiàn)該菌株菌落光滑濕潤,邊緣規(guī)整,中部凸?fàn)盥∑鸩煌该?;菌落顏色為淡黃色、有光澤、呈球形乳液狀;粘液挑起有明顯的拔絲效果(圖1A)。表明菌株285-3的菌落表面覆蓋大量γ-PGA分子,從而導(dǎo)致菌落形態(tài)粘稠,符合γ-PGA生產(chǎn)菌株的特征。結(jié)晶紫染色后,在顯微鏡下可見菌體為短桿狀,有芽孢(圖1B),結(jié)合該菌株分離時(shí)的沸水浴處理,推測菌株285-3為芽孢桿菌。
為了進(jìn)一步確定菌株285-3的分類,利用相近芽孢桿菌的16S rDNA基因序列構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,發(fā)現(xiàn)菌株285-3與Bac48的遺傳距離最近,聚于同一個(gè)分支(圖2),且同源性為100%。因此,結(jié)合上述形態(tài)特征及分子生物學(xué)鑒定結(jié)果,將菌株285-3鑒定為副地衣芽孢桿菌()。
注:A,菌落形態(tài);B,芽孢。Note: A, Colony; B, Spore.
圖2 基于16S rDNA序列構(gòu)建的菌株285-3的系統(tǒng)發(fā)育樹
通過添加有機(jī)酸模擬根系分泌物對土壤的酸化作用,發(fā)現(xiàn)處理組和對照組的土壤pH隨時(shí)間的變化曲線較為平緩,但處理組土壤pH在多個(gè)時(shí)間點(diǎn)顯著高于對照組,較對照組平均提高了0.31個(gè)單位(圖3A)。通過添加煙草專用復(fù)合肥模擬復(fù)合肥料對土壤的酸化作用,發(fā)現(xiàn)處理組和對照組的土壤pH隨時(shí)間的變化曲線呈持續(xù)下降趨勢,處理組土壤pH在多個(gè)時(shí)間點(diǎn)也顯著高于對照組,較對照組平均提高了0.36個(gè)單位(圖3B)。盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明,菌株285-3具有緩解根系分泌物和復(fù)合肥料導(dǎo)致的土壤酸化的能力。
注:A,根系分泌物導(dǎo)致的土壤酸化;B,復(fù)合肥料導(dǎo)致的土壤酸化;**表示在0.01概率水平上差異顯著;*表示在0.05概率水平上差異顯著。
Note: A, soil acidification caused by root exudates; B, soil acidification induced by compound fertilizer; ** is significantly at the 0.01 probability levels; * is significantly at the 0.05 probability levels.
圖3 菌株285-3發(fā)酵液對盆栽土壤pH的影響
Fig. 3 Effect of strain 285-3 fermentation broth on pH of potted soil
2.3.1 對酸化植煙土壤化學(xué)性質(zhì)的影響 由表3可知,部分處理在土壤可交換酸度、可交換鋁和可交換氫等指標(biāo)間差異達(dá)到顯著水平。T3處理和T4處理的土壤可交換酸度顯著低于T1處理(CK),T1處理(CK)、T3處理和T4處理的土壤可交換鋁顯著低于T2處理,T2處理的土壤可交換氫顯著低于T1處理(CK)。說明單施菌株285-3、單施菜籽餅肥、菌株285-3與菜籽餅肥合用都對酸化植煙土壤具有一定的改良效果。
2.3.2 對煙草青枯病發(fā)生的影響 由表4可知,旺長期各處理煙草青枯病發(fā)病率和病情指數(shù)都較低。成熟期各處理煙草青枯病發(fā)生明顯加重,但T4處理的發(fā)病率和病情指數(shù)均顯著低于T3處理。與T1處理(CK)相比,T4處理對煙草青枯病的防效為47.05%,說明菌株285-3與菜籽餅肥合用對煙草青枯病具有較好的防控效果。
2.3.3 對煙葉經(jīng)濟(jì)性狀的影響 表5表明,不同處理在煙葉產(chǎn)量和產(chǎn)值間差異達(dá)到顯著水平,其中T1處理(CK)和T3處理的產(chǎn)量均顯著低于T4處理,T3處理的產(chǎn)值顯著低于T4處理。與T1處理(CK)相比,T4處理的增產(chǎn)率和增值率均為最高,分別為15.20%和8.57%;T2處理的增產(chǎn)率和增值率次之,分別為3.51%和0.85%;T3處理的產(chǎn)量和產(chǎn)值均低于T1處理(CK)。以上結(jié)果表明,菌株285-3與菜籽餅肥合用有利于增加烤后煙葉經(jīng)濟(jì)性狀。
表3 不同處理的土壤化學(xué)性質(zhì)
注:同一列中小寫字母不同表示處理間差異顯著(<0.05),下同。
Note: Different lowercase letters in the same columu indicate significant differences between treatments(<0.05), the same below.
表4 不同處理煙草青枯病的發(fā)生情況
Table 4 Occurrence of tobacco bacterial wilt in different treatments
表5 不同處理的經(jīng)濟(jì)性狀
γ-PGA是一種可由多種微生物合成的,具有生物降解性的水溶性生物高分子材料,在農(nóng)業(yè)上可用作土壤改良劑[19-20]。目前報(bào)道的γ-PGA生產(chǎn)菌株大多是芽孢桿菌屬,根據(jù)發(fā)酵過程中是否添加谷氨酸,可將γ-PGA生產(chǎn)菌株分為谷氨酸依賴型菌株和谷氨酸非依賴型菌株。許多微生物高產(chǎn)γ-PGA的時(shí)候需要外源添加谷氨酸作為底物,而土壤中往往匱乏谷氨酸,如果可以不依賴于外源添加谷氨酸就能生產(chǎn)較高產(chǎn)量的γ-PGA,能夠從葡萄糖開始經(jīng)糖酵解(EMP)途徑和三羧酸(TCA)循環(huán)自己合成谷氨酸,則理論上更有利于菌株在土壤中發(fā)揮緩解酸化的作用[21]。本研究從黃土高原干旱土壤中篩選獲得一株谷氨酸非依賴型菌株,并將該菌株鑒定為副地衣芽孢桿菌,其γ-PGA產(chǎn)量達(dá)到20.70 g/L,而谷氨酸非依賴型菌株γ-PGA產(chǎn)量達(dá)到20 g/L以上的少見報(bào)道[22-23]。
通過盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),菌株285-3對根系分泌物和復(fù)合肥料導(dǎo)致的土壤酸化都具有明顯的緩解和改善作用,處理組土壤pH較對照組平均提高0.30個(gè)單位以上,且在多個(gè)時(shí)間點(diǎn)顯著高于對照組。用有機(jī)酸模擬根系分泌物處理土壤后,對照組土壤pH并沒有明顯下降,可能是施加的有機(jī)酸被土壤中的細(xì)菌作為碳源所利用,實(shí)際上許多微生物都可以利用有機(jī)酸作為碳源[24]。用煙草專用復(fù)合肥處理土壤后,對照組土壤pH持續(xù)下降,而菌株285-3處理組土壤pH在多個(gè)時(shí)間點(diǎn)高于初始pH,一方面可能是因?yàn)槭┯玫膹?fù)合肥料被菌株285-3作為氮源所利用,另一方面菌株285-3生產(chǎn)的γ-PGA對酸、堿具有極佳的緩沖能力,可有效平衡土壤酸堿值,緩解因長期使用化學(xué)肥料引起的土壤酸化現(xiàn)象[25]。雖然γ-PGA在農(nóng)業(yè)中有多種應(yīng)用,如土壤保墑、重金屬治理、肥料增效等,但作為酸化土壤改良劑則報(bào)道較少。
進(jìn)一步將菌株285-3用于大田酸化植煙土壤的改良發(fā)現(xiàn),單施菌株285-3、單施菜籽餅肥以及菌株285-3與菜籽餅肥合用對于酸化植煙土壤改良都有一定的效果,而菌株285-3與菜籽餅肥合用對煙草青枯病防治和煙葉產(chǎn)質(zhì)量提升的田間效果更佳。單施285-3發(fā)酵液可能因菌株不能在土壤中有效定殖而無法充分發(fā)揮其效果[26]。由于餅肥在土壤微氧的環(huán)境中發(fā)酵產(chǎn)生有機(jī)酸[27],而這些酸類物質(zhì)會對煙株根系的生長發(fā)育產(chǎn)生抑制作用,因此單施菜籽餅肥對于煙草青枯病防治和煙葉產(chǎn)質(zhì)量提升的效果較差。菜籽餅肥與菌株285-3合用田間效果最佳。菜籽餅肥既可以起到疏松土壤、改善土壤微生物群落、增加營養(yǎng)元素等作用[28],又可以為菌株285-3在土壤中的擴(kuò)繁與根際定殖提供必要的營養(yǎng)以及為合成γ-PGA提供所需的原料[29-30]。此外,γ-PGA在改善土壤特性[31]、增強(qiáng)土壤持水能力、減少養(yǎng)分流失[32]、促進(jìn)根區(qū)微生物群的生長[33]等方面都具有良好的效果,能使作物更有效的吸收土壤中的水分和養(yǎng)分,促進(jìn)根系生長發(fā)育,提高作物對土傳病害的抵抗能力。前人已將γ-PGA作用于多種作物,并表現(xiàn)出明顯的促生長和增產(chǎn)作用[34]。
本研究從黃土高原干旱土壤中篩選得到一株谷氨酸非依賴型γ-PGA高產(chǎn)菌株,將其鑒定為副地衣芽孢桿菌285-3()。該菌株具有緩解根系分泌物和復(fù)合肥料導(dǎo)致的土壤酸化的作用;在大田與有機(jī)肥合用不僅對酸化植煙土壤有較好的改良效果,而且能防控?zé)煵萸嗫莶『吞岣邿熑~產(chǎn)質(zhì)量。本研究為今后利用微生物及γ-PGA對酸化土壤進(jìn)行修復(fù)提供了技術(shù)支持和借鑒指導(dǎo)。
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Screening of Poly-γ-glutamic Acid Producer and its Effect on Improving Acidified Tobacco Planting Soil
SHI Heli1, PENG Wuxing1, XIANG Xiuzhi1, SHU Zhaohe1, XIANG Bikun1, WANG Xuesong1, SHANG Guanli1, YIN Zhongchun1, QI Gaofu2*, TAN Jun1*
(1. Enshi Prefecture Company of Hubei Provincial Tobacco Corporation, Enshi, Hubei 445000, China; 2. College of Life Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China)
In order to explore the microbial strains with the ability to alleviate the acidification of tobacco planting soil, a combination of biomorphology and molecular biology, pot experiment and field experiment were used to screen and identify high-yielding γ-PGA strains and study their improvement effects on acidified tobacco planting soil. The results showed that: (1) Aglutamate-independent γ-PGA producing strain285-3 was screened from the arid soil of the Loess Plateau. (2) Strain 285-3 effectively alleviated soil acidification caused by root exudates and compound fertilizers, and increased soil pH by more than 0.3 units on average. (3) The combination of strain 285-3 and organic fertilizer significantly reduced the exchangeable acidity of acidified tobacco planting soil, and the control effect of tobacco bacterial wilt reached 47.05%, while improved the yield and quality of tobacco. In conclusion,285-3 has a good improvement effect on acidified tobacco plating soil, and can control disease and improve yield and quality of tobacco when combined with organic fertilizer.
acidified tobacco planting soil;; γ-PGA; tobacco bacterial wilt; tobacco yield and quality
10.13496/j.issn.1007-5119.2022.04.003
S572.01
A
1007-5119(2022)04-0015-07
中國煙草總公司湖北省公司科技項(xiàng)目(027Y2019-011)
施河麗(1984-),女,碩士研究生,主要從事煙草栽培與微生物工程研究。E-mail:shiheli2022@163.com
,E-mail:祁高富,qigaofu@mail.hzau.edu.cn;譚軍,tanjun20713@163.com
2022-03-07
2022-08-09