一种玉米MS30基因突变体及其分子鉴定方法和应用与流程

文档序号:14937569发布日期:2018-07-13 19:41阅读:248来源:国知局
本发明属于植物分子生物学领域,具体涉及一种玉米ms30基因突变体ms30-4898及其分子鉴定方法和应用。
背景技术
:植物雄性不育突变是自然界中十分普遍的现象,至少己在43个科、162个属的617个物种中发现了雄性不育突变体。在遗传上植物雄性不育分为细胞核雄性不育,细胞质雄性不育和细胞核细胞质互作雄性不育三大类:1)细胞核雄性不育由细胞核基因突变产生,有显性突变和隐性突变,有孢子体基因突变和配子体基因突变。显性突变和配子体基因突变只能通过雌配子遗传,隐性突变既可通过雌配子也可通过雄配子进行遗传,而且遵循孟德尔定律。目前已克隆了一些孢子体隐性核不育基因,如拟南芥的ms2,玉米的ms45和水稻的mil1等;一些配子体隐性核不育基因也被克隆,如拟南芥的两个小孢子有丝分裂异常的突变体sidecarpollen和geminipollen;玉米上还克隆了一个孢子体显性核不育基因ms44;2)细胞质雄性不育则是由细胞质基因控制,并没有相对应的核恢复基因,属母性遗传;3)细胞核细胞质互作雄性不育由细胞质基因和细胞核基因共同控制,其实质是细胞质与细胞核遗传物质不和的结果。不育细胞质是一些由突变线粒体基因引起,但有相对应的核恢复基因,能抑制不育细胞质基因。不育细胞质基因可产生一种新的蛋白质,够影响线粒体正常功能。在育恢复基因方面,目前水稻中已经克隆了rf-1,rf-2,rf-4,rf-5基因。玉米在我国乃至全世界的粮食的粮食生产中有着举足轻重的地位,到2013年,我国玉米的总产量达到2.15亿吨,占据粮食总产量的35%,首次超过水稻成为第一大粮食作物;玉米是杂种优势利用的典范,其中杂交育种和制种技术的关键均在于母本的去雄。人工去雄相对容易,还可以通过机械去雄、化学杀雄等途径,但是这些策略也存在一些问题:一方面,这些技术大大增加了制种的成本,另一方面,因人工去雄的不彻底或不及时,会降低杂交种的纯度,造成生产上大面积减产,最终导致很大的经济损失。因此,提高杂交种种子纯度是当前玉米生产上急待解决的问题,而利用雄性不育系制种是提高杂交种质量最为有效的途径之一。玉米核雄性不育材料是一种宝贵的种质资源,对玉米杂交种生产具有极其重要的意义,但长期以来,由于纯合核雄性不育系无法繁殖保持等问题,这类材料在实际生产上几乎没有被有效地利用起来。随着新的核雄性不育材料的不断发现,玉米育种家对其进行了多方面的研究和利用尝试,如利用标记性状与不育性的紧密连锁关系,开发了粒色标记系统法、黄绿苗连锁标记法和多花丝连锁标记体系等,但是由于标记性状与不育性连锁不完全、标记性状鉴定困难、鉴定时期滞后等问题,这些方法和尝试在玉米生产上并没有得到推广应用。随着现代生物技术的迅速发展,部分玉米核雄性不育材料的不育机理逐渐明确,为分子设计创制稳定的玉米不育系奠定了理论基础。通过自然突变体鉴定和人工诱变比如物理辐射,化学处理,组织培养等方法,人们在玉米上获得了多种新的不育突变体。ms30突变体是由自然变异引起的。其雄小花变小、变白,形成不成熟的花粉粒。该突变体由ms30基因有四处核苷酸的插入或缺失引起;ms30基因有3个外显子和两个内含子,编码一个408个氨基酸的蛋白,该蛋白含有一个gdsl-lipase结构域,研究表明gdsl-lipase蛋白在植物花器官发育和形态建成育功能上有重要的作用;在ms30突变体植株中,小孢子细胞壁在早期液泡小孢子期发育缓慢,萌发孔出现异常,之后小孢子内形成大液泡并伴随细胞质的降解,从而导致突变体育性的丧失。技术实现要素:本发明的目的是提供一种玉米ms30基因突变体ms30-4898及其分子鉴定方法和应用。本发明首先对杂交种京科糯2000种子(m0代)进行钴60辐射诱变处理,种植处理的种子获m1代植株;m1代植株自交产生种子(为m2代),种植m2代植株,对m2代植株进行形态学,组织学和遗传学鉴定,筛选不育植株;然后对不育植株进行基因测序和dna序列分析,在分子水平上进行验证。最后获得纯合不育单株,并用于杂交育种和生物技术研究。本发明提供的玉米ms30基因突变体ms30-4898,其为玉米ms30基因编码区第一外显子上的一段,由seqidno.1的第199位碱基到第607位碱基共408个碱基被agtctcggtactactacgcccagtctc碱基替换。如seqidno.1所示的序列来自基因组版本refgen_v1,基因登录号grmzm2g174782。进一步地,玉米ms30基因突变体ms30-4898,其核苷酸序列如seqidno.2所示。本发明提供了含有本发明所述玉米ms30基因突变体ms30-4898的表达载体。本发明提供了含有上述表达载体的宿主细胞。本发明提供了玉米ms30基因突变体ms30-4898在制备转基因植物中的应用。本发明提供了玉米ms30基因突变体ms30-4898在制备隐性雄性核不育的转基因玉米中的应用。本发明提供了玉米ms30基因突变体ms30-4898在玉米改良育种、制种中的应用。本发明还提供了检测玉米ms30基因突变体ms30-4898的分子标记,该分子标记是由以下引物组合扩增得到,所述引物组合的核苷酸序列为:上游引物4898_f1:gagacacgttctttggcttcg(如seqidno.3所示)下游引物4898_r1:gcgcctcgtggaagaagag(如seqidno.4所示)下游引物4898_r2:cgcgcagtctcggtacgtaa(如seqidno.5所示)。本发明提供了上述分子标记在制备隐性雄性核不育的转基因玉米中的应用。本发明提供了上述分子标记在玉米种质资源改良中的应用。一种玉米ms30基因突变体ms30-4898的分子标记的方法,通过下述引物组合扩增待检植物基因组dna,并用琼脂糖电泳检测:所述引物组合的核苷酸序列为:上游引物4898_f1:gagacacgttctttggcttcg(如seqidno.3所示)下游引物4898_r1:gcgcctcgtggaagaagag(如seqidno.4所示)下游引物4898_r2:cgcatccctttcagagtttcag(如seqidno.5所示)。如果用上述引物组合扩增出的产物为362bp和1330bp,则标志着该待检植物ms30基因型为野生型;如果扩增产物为922bp,则标志着该待检植物ms8基因型为ms30-4898突变体;如果扩增产物为362bp、922bp和1330bp三条带型,则标志着该待检植物ms30基因型为野生型和ms30-4898突变体的杂合基因型。本发明提供的突变体ms30-4898优点如下:(1)本发明提供了一种新的玉米隐性核雄性不育突变体,为发展新的雄性不育制种方法奠定了材料基础。(2)该突变体只影响雄性育性,造成雄性完全不育,但对雌性育性和其它农艺性状没有影响。(3)该突变体为基因内突变,不会影响ms30两侧相邻基因的功能。(4)因辐射诱变造成与野生型相比有381bp个碱基的缺失,采用实验室常用的琼脂糖电泳就能开展分子检测,即能够实现鉴别,不需要特别的检测技术和方法。(5)本发明的玉米ms30基因突变体ms30-4898可直接用于杂交玉米选育和不育系改良,经济价值巨大。附图说明图1是实施例2和3中野生型京科糯2000和ms30-4898突变体的花粉碘染及花药对照图片。图2是实施例6中ms30-4898突变体ms30基因的突变位点及氨基酸残基改变示意图。图3是实施例7中野生型京科糯2000、f2群体中可育株和不育株ms30基因突变位点的pcr产物的电泳照片。图4是实施例8的杂交转育的技术路线图。具体实施方式以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。在不背离本发明精神和实质的情况下,对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换,均属于本发明的范围。若未特别指明,实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。实施例1钴60辐射诱变突变体库2015年秋,于长沙钴60(co60)辐射京科糯2000种子(m0代)3公斤,10月种植于海南三亚田间,分单株收获m1代种子,共收获约5495份种子。选取m1代种子4678个株系,每个株系种植50棵单株。2016年春季,种植于海南临高田间。在孕穗期、抽穗期、开花期、灌浆期等经过仔细观察田间性状,筛查株型、穗型、育性、产量等各种类型突变体,对各类型突变体单株收种保存作为特殊突变体。每个株系收6个单株,共28068个单株作为突变体库资源保存。实施例2m2代种植与性状观察m1代植株自交产生种子,种植m2代,在m2代抽穗、开花期间,在田间对花药的形态进行观察,选取步镜检。在编号为4898的家系中发现1株育性异常的植株,该突变体在营养生长、抽穗期、穗型均与野生型没有明显区别,图1为该突变体植株的花粉碘染图(a图)和突变体雄花粉碘染图(b图)以及突变体花药(c图左)和野生型花药(c图右)对比照片。突变体雄花药明显变小变白,突变体镜检花粉粒小、不规则、碘染不上色,而野生型京科糯2000花粉粒大而饱满,被碘染成蓝黑色。实施例3花粉镜检,自交和异交通过碘染着色与不着色花粉比例,统计花粉育性。在体式显微镜下观察4898突变体雄花形态,花药比野生型小,颜色较浅(见图1的c图)。田间采集开花期小花,用镊子取出花药,在碘-碘化钾溶液(0.6%ki,0.3%i2,w/w)中轻轻挤压花药,滴在载玻片上,盖上盖玻片,在显微镜下观察花粉碘染情况并拍照。野生型花粉多而染成蓝黑色,而突变体花粉粒小而染不上色(图1的a、b图)。突变体开放授粉下可正常结实,表明该突变体为雄性不育突变体,雌性不受影响。对同家系野生型进行套袋自交,均正常结实,获得8个m3株系的种子,将m3种子播种,抽穗后鉴定育性,其中3个株系的雄性育性发生分离。将分离株系的花药碘染后在显微镜下观察,其中156株花粉正常碘染,41株染败,符合3:1分离,表明该不育性状由单个隐性基因控制。实施例4叶片采样与dna提取采用ctab法提取水稻叶片dna,具体方法如下:称取约0.1g叶片,放入离心管,加入600μlctab提取缓冲液,5μlrnasea,震荡分散,65℃水浴0.5hr,其间轻摇2-3次;加入等体积氯仿/tris-饱和酚(1:1,v/v),混匀,轻摇10min;4℃10000rpm离心20min;转移上清至新管,加入1/10体积的3m乙酸钠(ph值5.2)、0.6-1倍体积的冷异丙醇;轻摇混匀,至絮状沉淀出现;4℃10000rpm离心10min;弃去上清,用体积百分含量70%乙醇洗沉淀2次;风干,加入50μl1×te溶解沉淀,-20℃保存。用nanodrop2000检测dna浓度,稀释至10ng/l用作pcr模板。实施例5pcr反应与产物回收根据玉米自交系b73的ms30基因序列设计引物,扩增野生型京科糯2000和4898突变体的基因组dna,扩增产物测序后拼接出完整序列。用于扩增ms30的引物对序列见表1:表1用于扩增ms30的引物对序列引物对名称正向引物反向引物ms30_1gagacacgttctttggcttcgcgcatccctttcagagtttcagms30_2ggaccccacatacgtaggtgagatcggagccatcagtgctaaaggpcr反应体系为:1μl10×反应缓冲液,0.25μldntp,0.25μl正向引物和0.25μl反向引物,0.5utaq酶,1μl10ng/μl模板dna,加超纯水将总体积补至10μl。pcr反应程序为:94-98℃变性1-3min,然后执行以下循环:95℃变性20s,53-58℃复性20s,72℃延伸30s,30-40个循环。循环结束后72℃补充延伸3-10min,结束反应。配置1.5%琼脂糖凝胶,在5v/cm电场下电泳30min;采用市面dna凝胶回收试剂盒回收pcr产物。实施例6dna序列分析将回收所得野生型与突变体的pcr产物dna采用abi3730测序仪进行测序,测序引物分别使用正向引物与反向引物。使用常见dna序列分析软件dnaman6.0对双向测序结果进行拼接;将4898突变体的ms30等位基因记为ms30-4898。对野生型和突变体序列进行比对发现,在玉米ms30基因编码区第一外显子上的一段,及由第199位碱基到第607位碱基共408个碱基被agtctcggtactactacgcccagtctc碱基替换(参见图2虚线处);蛋白序列分析比对显示,该突变引起了136个氨基酸切除,同时加入9个新的氨基酸。实施例7突变位点分子标记设计与基因型-表型共分离鉴定根据实施例6中得到的突变位点两侧的序列设计3条基因特异引物:正向引物4898_f1,其核苷酸序列如seqidno.3所示;反向引物4898_r1,其核苷酸序列如seqidno.4和4898_r2,其核苷酸序列如seqidno.5所示。其中4898_f1位于突变位点里面。用上述引物组合扩增出的产物如果为362bp和1330bp,则标志着该待检植物ms30基因型为野生型;如果扩增产物只有922bp,则标志着该待检植物ms30基因型为ms30-4898突变体;如果扩增产物为362bp、922bp和1330bp三条带型,则标志着该待检植物ms30基因型为野生型和ms30-4898突变体的杂合基因型。在实施例3中获得的有表型分离的m3群体中,随机选取野生型和突变体表型的植株,提取叶片dna,与京科糯2000基因组dna一起,分别用上述引物组合进行扩增。pcr反应体系为:10×反应缓冲液1μl,dntp0.25μl,引物4898_f1、4898_r1和4898_r2各0.25μl,taq酶0.5u,10ng/μl模板dna1μl,加超纯水将总体积补至10μl。pcr反应程序为:95℃变性3min,然后执行以下循环:95℃变性20s,53-58℃复性20s,72℃延伸30s,35个循环。扩增产物在1.5%琼脂糖凝胶中,5v/cm电场下电泳30min,在凝胶成像系统中记录电泳图像。结果见图3,野生型对照的扩增产物为362bp+1330bp;4898家系中突变体的扩增产物均只有922bp;所有的分离家系中的野生型扩增为362bp+1330bp或362bp+922bp+1330bp,而没有单独922bp带型。这一结果表明实施例6中所述突变位点与隐性核雄性不育基因是共分离的。这一结果结合该突变体的突变表型、突变位点,以及已发表文献中的表型描述,可推断4898突变体的雄性不育表型是由实施例6中所述的缺失造成的。实施例8突变基因的杂交转育可按图4的步骤将4898的不育等位基因ms30-4898通过杂交转育到其它玉米遗传背景中:①杂交:以4898为母本,与受体玉米材料为父本杂交获得f1种子;②第一轮回交:f1播种后获得f1植株,将f1植株与轮回亲本进行杂交,获得bc1种子;②bc1不育基因选择(前景选择):播种bc1种子,获得不少于500株幼苗,在幼苗期采集各单株叶片,以实施例4中所述方法提取dna,以实施例7中所列的引物组合(4898_f1和4898_r1、4898r2)进行扩增,选取基因型为杂合的单株继续种植,弃去纯合野生型的单株;③bc1背景选择:采用一组(例如100个,或200个等)在4898和轮回亲本之间存在多态的,且在基因组上均匀分布的分子标记(可以是但不限于ssr、snp、indel、est、rflp、aflp、rapd、scar等类型标记),对步骤③中选出的单株进行鉴定,选取与轮回亲本相似度高(例如大于88%相似度,或2%中选率等)的材料;⑤第二轮回交:用步骤④中选出的单株为父本,为轮回亲本授粉,获得bc2种子;⑥bc2的前景与背景选择:对选出的材料重复步骤③至步骤④的操作,选出与轮回亲本相似度高于选择标准(如相似度大于98%,或2%中选率等)的bc2代植株;⑦自交获得bc2f2种子:对步骤⑥中选出的bc2植株进行自交,获得bc2f2种子;⑧bc2f2的前景选择:将步骤⑦中获得的bc2f2种子播种,获得500株以上幼苗,在幼苗期采集叶片,以实施例4中所述方法提取dna,以seqidno.3-5所示的引物(4898_f1和4898_r1、4898r2)进行扩增、酶切和电泳,选出带型为纯合突变体和杂合型的单株继续栽培,丢弃纯合野生型的单株;⑨bc2f2的背景选择及应用:将步骤⑧中选出的单株按照步骤④的方法进行背景筛选,选出100%背景纯合的单株。如果中选单株的(4898_f1和4898_r1、4898r2)引物组合扩增后酶切带型为纯合突变体,则该单株为最终目标材料,可进一步与轮回亲本杂交保存材料,或与其它玉米材料进行杂交。如果中选单株是杂合带型,可直接用于保存种质,或通过自交获得不育株用于杂交育种或制种。以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本
技术领域
的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。序列表<110>海南波莲水稻基因科技有限公司<120>一种玉米ms30基因突变体及其分子鉴定方法和应用<160>10<170>siposequencelisting1.0<210>1<211>2039<212>dna<213>人工序列(artificialsequence)<400>1atggcgctcctcctcctcctcgtcctgctccgctccgccgccagcgctggcgcgggcgct60gaaccgcatcgctccccggccactgccctcttcgtcctgggcgactccacggtcggctgc120gccgcggcgacggcgagcagcattctgtcgctcaacctgaccaccaccaccaccacgctg180ccgtcctcgctctccggcgagccgtgcctcttcttccacgaggcgcggctccgcgtcccg240gacctcctcgcggccaagatgggcctcccttcgccgcccccgatctccgcgctcaacggc300acagcgtccgccgccgcgcgcggcgtcaacttcggcggcggcggcgggcagctgctgttc360tacggaggcggaggcggggtgcgcgggccggcgtccgtcttcctcacgggcgccgtcggg420cagcaggtccgcctcgcctccgagacgctgcagctgctgcggctcgaggccgccgcgccg480ggggagccgtcgtcctcgcccgccgcagtgttcgtcctgtccttcggcgccgacgcctac540gcgcgcctgctcgcgcgcgggcccgccgaggccgccgccgccgcgcccaagcacggccgc600cgcgggctcgcccgcctcctcgccgaccgcgtcgcgcgcgcagtctcggtacgtaacgta660cgcacgcccttgtttcgtctgcgagcgttcattctgacgcggcgcgatcgaggcgtgcgt720gcccgcaggagctgtacgaggccggcgcgaggagggtggcggtgatgggggtgccgccgc780tggggtgcgcgccgcgcgtcgtgtgggagcggtcgtcccccgtccgcgacggcggcgcag840gatgcgtcgaggaggcgaacgagctgatccaagggtacaacggcaggctcgcggcgaggc900tggacgagctgcggctggcgctggccggcgccgacgttgtgttctgcgacgtgtacaagg960ggatgatggagatcatctccaacccgaccacgtatggtaacctttcgctccactgttttt1020tcttccatttgaaactccacgagtaaggcatggtttagaacatcacatagttcggattaa1080ttttttaaactatcctcatcaaactgcatgtctgaaactctgaaagggatgcggcctttt1140ttgtcgatggtcataaattaaactgtcatgcagttccttccctgcactacgaagcacgca1200tatggaaagtgtatgtcttcttcagagtccagaacttagatcgttgcagtcactagtgag1260cccttcagaagtggcagtcttgggttttcttttcttttccattcaaaaaatagattatat1320cattcgacatattacaaaaaaaaggagttagtaacaactgacaagtaccgaattgcccag1380cgactaccgtgatggacgaacacgaaaaaccagataagaaacaggaaagggctgagctgc1440gaaacagaagatgggactcggcccattaccagtttaccaccctaagcacaggagcagggt1500ggtaaggctatgttattaaaactaggaataattggatatataccattaaaagattacaac1560tttagatatatactataaatttcacatgtcattgacttatgtggggaccccacatacgta1620ggtgagatagtaattgtatatatctaaagttgtaatcttttaatggtacagatccaaaat1680ccccttagaactatgtttaaacacgttaaaactctaattacagggttcgaggagacgagg1740gaggcatgctgcgggctggggcccatgagggccacggtgggctgcgtcagcaaggagatg1800gcgtgcggcgcgccggagcgccacgtgtggtgggacatctacagccccacggaggccgcg1860gatgccctcgtgaccaactggtcctggtcgtcggacggctccggcgccaccagcatctgc1920ggccccatctctctgcagcagctggctgcagtgtcgccgtcgccgccgggggcgtaggaa1980caaaccactcgttgtatttagttcactcgtattacccgccggagaccactcttatttag2039<210>2<211>1719<212>dna<213>人工序列(artificialsequence)<400>2atggcgctcctcctcctcctcgtcctgctccgctccgccgccagcgctggcgcgggcgct60gaaccgcatcgctccccggccactgccctcttcgtcctgggcgactccacggtcggctgc120gccgcggcgacggcgagcagcattctgtcgctcaacctgaccaccaccaccacgctgccg180tcctcgctctccggcagtctcggtactactacgcccagtctcctcgcccgcctcctcgcc240gaccgcgtcgcgcgcgcagtctcggtacgtagcgtacgcacgcccttgtttcgtctccgc300agctgcattgaactgcactgcacccacgcgcgcggtacgtctgcgagcgttcgttctgac360gcggcgcgatcgaggcgtgcgtgcaggagctgtacgaggccggcgcgaggagggtggcgg420tgatgggggtgccgccgctggggtgcgcgccgcgcgtcgtgtgggagcggtcgtcccccg480tccgcgacggcggcgcaggatgcgtcgaggaggcgaacgagctgatccaagggtacaacg540gcaggctcgcggcgaggctggacgagctgcggctggcgctggccggcgccgacgttgtgt600tctgcgacgtgtacaaggggatgatggagatcatctccaacccgaccacgtatggtaacc660tttcgctcacttgttgttcttcgttatccactgttttttcttccctttgaaactccacac720gaataaggcatggtttagaacatcacatagttcggattaattttttaaactatcctcatc780aaactgcatgtctgaaactctgaaagggatgcggccttttttgtcgatggtcataaatta840aactgtcatgcagttccttccctgcactacgaagcacgcatatggaaagtgtatgtcttc900ttcagagtccagaacttagatcgttgcagtcactagtgagcccttcagaagtggcagtct960tgggttttcttttcttttccattcaaaaaatagattatatcattcgacatattacaaaaa1020aaaggagttagtaacaactgacaagtaccgaattgcccagcgactaccgtgatggacgaa1080cacgaaaaaccagataagaaacaggaaagggctgagctgcgaaacagaagatgggactcg1140gcccattaccagtttaccaccctaagcacaggagcagggtggtaaggctatgttattaaa1200actaggaataattggatatataccattaaaagattacaactttagatatatactataaat1260ttcacatgtcattgacttatgtggggaccccacatacgtaggtgagatagtaattgtata1320tatctaaagttgtaatcttttaatggtacagatccaaaatccccttagaactatgtttaa1380acacgttaaaactctaattacagggttcgaggagacgagggaggcatgctgcgggctggg1440gcccatgagggccacggtgggctgcgtcagcaaggagatggcgtgcggcgcgccggagcg1500ccacgtgtggtgggacatctacagccccacggaggccgcggatgccctcgtgaccaactg1560gtcctggtcgtcggacggctccggcgccaccagcatctgcggccccatctctctgcagca1620gctggctgcagtgtcgccgtcgccgccgggggcgtaggaacaaaccactcgttgtattta1680gttcactcgtattacccgccggagaccactcttatttag1719<210>3<211>21<212>dna<213>人工序列(artificialsequence)<400>3gagacacgttctttggcttcg21<210>4<211>19<212>dna<213>人工序列(artificialsequence)<400>4gcgcctcgtggaagaagag19<210>5<211>22<212>dna<213>人工序列(artificialsequence)<400>5cgcatccctttcagagtttcag22<210>6<211>175<212>prt<213>人工序列(artificialsequence)<400>6metalaleuleuleuleuleuvalleuleuargseralaalaserala151015glyalaglyalagluprohisargserproalathralaleupheval202530leuglyaspserthrvalglycysalaalaalathralaserserile354045leuserleuasnleuthrthrthrthrthrleuproserserleuser505560glyserleuglythrthrthrproserleuleualaargleuleuala65707580aspargvalalaargalavalsergluleutyrglualaglyalaarg859095argvalalavalmetglyvalproproleuglycysalaproargval100105110valtrpgluargserserprovalargaspglyglyalaglycysval115120125gluglualaasngluleuileglnglytyra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