CN111763672B - 一种水稻低温诱导表达启动子Poscold10及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种植物低温诱导表达启动子Poscold10及其应用。本发明还提供了含有该启动子的表达盒、植物表达载体、宿主菌和转化子。具体而言,本发明将上述启动子应用在植物基因工程中。本发明提供的启动子能够特异地驱动外源基因在低温条件下在植物中高强度表达。通过将本发明的启动子连接到待表达的基因并利用载体转入到植物植株中,能够在低温条件下驱动外源基因在植物的各个部位中表达。

Description

一种水稻低温诱导表达启动子Poscold10及其应用
技术领域
本发明涉及生物技术和植物基因工程技术领域。具体而言,本发明涉及一种植物低温诱导表达启动子及其应用,该启动子能够在水稻转基因调控体系中驱动目标基因在植株中表达。
背景技术
水稻是世界上重要的粮食作物之一,近年来由于气候的厄尔尼诺现象,使水稻在生长阶段遭遇干旱或洪涝的极端气候,严重影响了水稻的产量。通过植物基因工程的方法改良农作物对极端气候的抗性具有重要的应用前景。启动子对基因表达的调控启示我们通过基因工程改变或添加启动子来激活抗逆基因的表达,提高农作物的抗逆性。
低温是植物遇到的一种常见的环境胁迫因子,对植物的影响广泛而深刻,从种子萌发、营养生长、生殖生长到开花结果的各个阶段都受到其影响。另外,光合作用、呼吸作用、水分和营养元素的吸收运转、各种酶的活性和有机物的转化等生理生化代谢过程都受到低温的影响,过低温度或持续低于生长最适温度会对植物/作物生产造成重要影响并直接影响产量。每年全球因低温伤害造成的农作物损失高达数千亿美元,因此如何克服低温伤害,培育抗低温的基因工程作物是作物分子设计育种的热点问题。
植物中存在着一个复杂的低温胁迫信号应答网络***。植物在受到低温胁迫后能通过该***进行一系列的基因遗传修饰,对自身的代谢和生长进行调节以适应该不利因素对其造成的影响。利用这一应答网络中关键基因,可以有效提高植物对低温的耐受性。但目前基因工程操作中,多使用组成型启动子驱动这些关键节点基因过表达,所获转基因植株虽然能够表现出较强的低温耐性,但组成型启动子带来的不必要表达往往造成植株的矮小,发育延滞和物质能量浪费,不利于潜在的实际应用推广。因此,利用低温诱导启动子,仅在低温胁迫时激活关键调控基因,将是抗低温基因工程改良的主要发展方向之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种驱动外源基因在低温诱导条件下表达的启动子、获得含有该启动子序列的转化子以及该启动子的应用。其中,本文中所涉及的“植物”是指单子叶植物,例如水稻、小麦、玉米、大麦、高粱或燕麦,优选为水稻。而且,本发明的启动子是高强度(或称作是高诱导表达效率)的启动子。
为了实现上述目的,一方面,本发明提供一种植物低温诱导表达启动子,所述植物低温诱导表达启动子包含序列表中SEQ ID No:1所示的DNA序列。序列表中SEQ ID No:1所示的DNA序列为来源于日本晴水稻(Oryza sativa L cv.Nipponbare)的水稻低温诱导表达启动子,本文中称为Poscold10或启动子Poscold10。具体而言,本申请的发明人发现日本晴水稻(Oryza sativa L cv.Nipponbare)LOC_Os12g05210基因上游包括转录起始位点在内的2100bp的DNA序列,具有驱动目标基因在低温条件下特异性表达的功能,并且分离克隆、并鉴定了该DNA序列的功能。
优选地,本发明提供的植物低温诱导表达启动子的DNA序列为SEQ ID No:1所示的序列,即Poscold10或启动子Poscold10。
另一方面,本发明提供一种植物低温诱导表达启动子,其DNA序列与SEQ ID No:1所示的DNA序列有至少80%同源性;或者,所述植物低温诱导表达启动子为在SEQ ID No:1所示的DNA序列中添加、取代、***或缺失一个或一个以上核苷酸生成的突变体或等位基因或衍生物;或者所述植物低温诱导表达启动子具有与SEQ ID No:1所示的DNA序列杂交的产物。这些植物低温诱导表达启动子序列与SEQ ID No:1所示的DNA序列具有相同功能,即驱动目标基因在植物中表达。
另一方面,本发明还提供一种包含上述植物低温诱导表达启动子的表达盒。
又一方面,本发明还提供一种重组表达载体,所述重组表达载体包含上述的植物低温诱导表达启动子,在所述重组表达载体中,所述植物低温诱导表达启动子连接于待表达的基因序列的上游;优选地,所述待表达的基因为Gus基因,所述重组表达载体为pCAMBIA1391-Poscold10,该重组表达载体为将SEQ ID No:1所示的序列即Poscold10或启动子Poscold10构建于pCAMBIA1391中得到的重组表达载体,本文中称为pCAMBIA1391-Poscold10。或者待表达基因可以为任何对作物的耐寒性具有改善能力的基因。通过本发明的启动子驱动该耐寒基因在寒冷条件下集中表达,从而实现改善作物耐寒性状的功能。
另一方面,本发明还提供一种宿主菌,所述宿主菌包含本发明提供的上述植物低温诱导表达启动子、上述表达盒、或上述重组表达载体;优选地,所述宿主菌为根癌农杆菌。
另一方面,本发明提供一种转化子,所述转化子包含本发明提供的上述植物低温诱导表达启动子、上述表达盒、上述重组表达载体、或上述宿主菌。其中,所述转化子优选为转基因细胞系、愈伤组织或植株。
再一方面,本发明提供上述植物低温诱导表达启动子在培育转基因植物中的应用。所述应用包括将本发明提供的上述植物低温诱导表达启动子连接于载体的待表达的基因序列上游(例如,将所述启动子序列置于目标基因之前),从而构建重组表达载体,将所述重组表达载体转化到植物细胞、组织或器官中进行培育。
并且优选地,所述应用可以用于改良植物生长特性,所述植物为单子叶植物,例如水稻、小麦、玉米、大麦、高粱或燕麦,优选为水稻。
本发明中所提供的启动子的DNA序列为(与序列表中SEQ ID No:1中相同):
CTTGGGCCCGTGTCAGTGAGGTGGCGGCGGCAATGGCGTCGGCAGCGGGTGGTTCGTGGTGGGCATCCTTCTTCAACCTCTGGTTATTCTGTAGCATTGCCCACAGCTCAAGCACTCAACTGTTATGTTGAGAAAACGAAGGCAGAAGAGATAAAATGAAGCTAGAGCTGGAAATGGTTGACCATGACCGGCTTTCAGACATAGAAAATTCATTCAAGAAGTTGTCTAAGCAGAAAAAAGAGACTGATGACATTAGAAATTGGTTCATAGGAACAGTAGTTGTAGCTGTGTTCCTTCTCATGAAGCTATTTGATAATATGTACTATGCTTGCCATTGTTGATTTTGTACATGTCAATTACCAGAATTAATGGATGGGGATCACTCAGCATGTTGATGTCTCAGCAACCTATCCATGTGAATTCTGTTTATCTATCTCCCACTATTTGAAACTCTAAATTACAGCTTCTTCAGATGGGTTGTCTAACTTATCCTTCAATTTTAGATTCTTGCTAAGTTCTAGTTCGTTCTGTTTGGCTGAAAATTTGCAGAATTCTGTTTATCTATCTCCCACTGTCTGAAACTCTGAATTACAACACACTAGTACGAGTATGTTTGTTTCAGTCTTTCAGAATCATGTAAATTATACTTTTTTTCAGTAATTATTGCCCATGTGTCTAGCACTCTACTCCAGTGATTCCTCAACTTTTACATCTATAGCTGGATTGCTGTTCATTGAAAACACTTGCTTGTAACCATTGTTGTGCTGCTGATCACTCCACAGAATGATATATATTTTACAGGAGATCGAGCAAAAACATCAGACAAAATATTAATGGCTCTCAATACGACATATATATCATGCTCTGTTCACAGCAGACAAAAATTAAGTCAAAAGCTCCATTCAACGATAGATCATGCCCTGTAAACAGCATACCAAAAAACGGACGACAGATGAGCTTAAAATTTTCCATTCAAAGATTAAAGTCTCCAGCAAAAGCTTGTGCTTTTCTCACAAATTCATTACAAGAAACATGGCAGATTGAATTGTTAATTACAAAATAACTAGACCATATAGTGGAGTAGTGTTTGAGCCGTAATGGGGGCCTAGGCTGCGCCATGGCAGCGGGGGAGGTTAGGTACTTGCTTGAGCTGTCGAGGGAGGGGGATAGGGGACACAGAATACCATGACATCTTCGCTCGTGAATGCGGCGGCGTTGTTGGTGACACTGTCGCGGACAGCAGATGGATGGGAAAAAATCGGCACCGGCAGAGGCATGGATGCGGGGCGAGCGCGCCGTTTCTCCAGTACCGCGACCACGGACGGCAGATGGATGGGAAAAAACCGTTCGGCGGGGCGTGGATGCGGCGCAACTGCTCCGTTTCTGCGCTCAGATGGAGGAATAGATGAGAAAGAACCGATGCGGGGAGGGAGGAAAGAAAGAGCGCAGCGAGGGAGGAAAGCGGCGGCGTGTGACTCCGGAATTGTTCCGCTTCTATTTGTTGTTTTCCAATCGTATCCTTTCAAGTTGGACGGCCAGATTTAATCTGGTACCTCCTAGTACCAGTACTGGCTGGTACAGACTGCCGGACGGGAGTAAAACTCTTCATAGATAGATGAATCTAGATAGATAATCAATATGAATATAGAAAATGCTATAATGACTTACATTGTGAAATGGAGAGAGTAGTTCGAAAGCATGCGCATAGAAAAGAAAGAAATAGGTCGGAAAAGTGAAGGAAAAAAAAACTCAGCCTATAAGTAGGGTGCACGTTTATAGTTTCACTAAGTGTTTATACTGTGTTTCTTGATAGAAAATAATACGGGCTTTAAATTTCCCGTGACGCTATCGATGCAATTCATGCAACCAACCAGGCGTGCTGCGTGCAACACCTGGAACAAATCCTTTCGGCGTTCGTTGCACCTGGACACACACCTGCACATGACGTGGCCCCCTATCCATCCATCCCTTACCGCCTTCCTCTCCACGCGTCGCCTTCCGCCTCCGCCACCTCCTCCCCCTCTCCACACACTCTTCTTCTCCACTCCTCCGCCGCTCGCCTCGCCGCGCGCCGCTTATATACCCGCGTCTCTGCGCTCA
综上所述,本发明的发明人发现、提取并鉴定了日本晴水稻(Oryza sativa Lcv.Nipponbare)中一段2000bp及转录起始位点上游100bp在内的2100bp的DNA序列,并将其命名为Poscold10(序列表中的SEQ ID No:1)。将该序列经酶切后连接到植物双元表达载体pCAMBIA1391上,获得相应的重组质粒(即重组表达载体),利用该重组质粒转化根癌农杆菌菌株EHA105,然后用农杆菌介导的方法进行水稻的转化,得到转基因水稻植株。对获得的转基因水稻进行GUS表达定量检测发现,转基因植株在低温诱导处理后,整体上的Gus基因表达水平提高,从而证明该2100bp的序列具有驱动基因表达的活性,而且该启动子驱动的Gus基因在水稻低温诱导处理后表达。
本发明所述的启动子序列可与植物双元表达载体连接,用于取代组成型启动子。并且,该启动子序列可以与所需的靶标基因连接,构建重组植物表达载体,经转化后,在低温诱导处理后可驱动靶标基因在植株中特异性表达,从而提高外源靶标基因在植物中的表达量,增加转基因的效果。
技术效果
本发明所克隆的水稻启动子Poscold10能够调控基因在植株中集中表达,在实际应用中具有显著价值。通过该启动子对农作物品种进行基因改造,如通过该启动子驱动目标基因在植株中表达,可以提高和改善水稻的生长特性,尤其是耐寒特性,从而培育出实用有效的耐寒植物品种。
附图说明
以下,结合附图来详细说明本发明的实施方案,其中:
图1为将Poscold10启动子构建于pCAMBIA1391载体质粒中的示意图,其中A为pCAMBIA1391示意图,B为pCAMBIA1391-Poscold10示意图,其中示出了利用Poscold10启动子驱动位于其下游的GUS基因表达;
图2为对本发明的启动子进行酶切验证的结果示意图。
图3为生长30天的植株的Poscold10::GUS转基因植株组织染色图。在30℃条件下正常生长的水稻植株,经24小时染色后,根、茎、叶均无Gus活性,而在4℃低温处理24小时后,再经过24小时染色后,在根、茎、叶中均有Gus强烈表达。
图4为低温处理0h、12h、24h后POscold10与作为对照的PUBI的相对表达量的变化。
具体实施方式
以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解,这些实施例仅用于说明本发明,其不以任何方式限制本发明的范围。
下述实施例中的实验方法,如无特殊说明,均为常规方法。下述实施例中所用的生化试剂、耗材原料等,如无特殊说明,均为市售购买产品。
含有酶切位点的Poscold10启动子的获得
步骤1、引物的设计
申请人在研究中意外发现了一段具有低温诱导特性的基因序列,命名为Poscold10,具体序列参见序列表。申请人依据水稻Poscold10的序列设计了扩增引物,并根据选用的载体及靶标基因的特点,设计引物的酶切位点。
本实施例中以水稻双元表达载体pCAMBIA1391(图1中A部分,来自于CAMBIA,公开使用载体,安徽省农业科学院农业部转基因生物产品成分监督检验测试中心水稻组保存)为例,靶标基因为Gus基因。具体设计的引物为:正向引物(SEQ ID No:2)5’端带PstI,酶切位点(CTGCAG),反向引物(SEQ ID No:3)5’端带BamHI酶切位点(GGATCC),引物序列如下:
正向引物:5’-CTGCAGCTTGGGCCCGTGTCAGTGAGGT-3’ PstI
反向引物:5’-GGATCCTGAGCGCAGAGACGCGGGTATA-3’ BamHI
由深圳华大基因公司合成。
步骤2、启动子Poscold10的获得
以水稻品种日本晴DNA为模板,利用正向引物、反向引物扩增启动子Poscold10,按常规PCR体系,采用如下扩增程序:
95℃预变性5min;95℃变性30s,58℃退火30s,72℃延伸2min30s,循环35次;最后72℃延伸10min。
回收PCR扩增的目的片段,目的片段长度2100bp,将其连接到PGEM-T-Easy载体(购自Promega公司,按载体说明书中的比例混合)上,按照冷激法转化大肠杆菌XL-Blue感受态细胞后,使感受态细胞激活,进而将目的片段转入到激活的感受态细胞中,然后,经菌落PCR筛选获得阳性克隆,挑取单克隆摇菌液提质粒,用PstI和BamHI进行双酶切验证,如图2所示。将经过鉴定的阳性克隆送交Invitrogen公司测序。验证正确的克隆即为所要获得的启动子Poscold10,其核酸序列如SEQ ID No:1所示。
植物表达载体的构建和农杆菌的转化
从上面“启动子Poscold10的获得”过程中获得的阳性克隆中提取质粒,用PstI和BamHI双酶切,回收启动子Poscold10片段。同时利用PstI和BamHI对pCAMBIA1391进行线性化处理、回收pCAMBIA1391,将上述的Poscold10片段和pCAMBIA1391片段用T4连接酶(购于TaKaRa公司)进行连接,得到启动子Poscold10与Gus基因融合的植物表达载体pCAMBIA1391-Poscold10(图1B),利用冻融法将植物表达载体转入根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)EHA105(安徽省农业科学院农业部转基因生物产品成分监督检验测试中心水稻组保存)。
利用启动子Poscold10驱动Gus报告基因在水稻中表达
步骤1:农杆菌介导的水稻遗传转化
成熟水稻种子去掉颖壳后,用70%酒精浸泡种子1min,倒掉酒精。用含有1滴Tween20的50%次氯酸钠(原液有效氯浓度大于4%)溶液浸泡种子40min(150r/min)。倒掉次氯酸钠,无菌水洗5遍至溶液澄清,无次氯酸钠味道。无菌水浸泡种子过夜。用解剖刀种子的沿糊粉层将胚剥下,将胚接种于愈伤诱导培养基上。30℃下暗培养11天后将愈伤与胚乳及胚芽分离,将去芽的状态良好、***旺盛的初级愈伤组织进行预培养3~5天后用于农杆菌转化。
采用上述“植物表达载体的构建和农杆菌的转化”过程中转入了重组表达载体的根癌农杆菌进行农杆菌介导的遗传转化,获得20株Poscold10::GUS转基因水稻植株,该遗传转化、转化子筛选及转基因植株再生等参照Yongbo Duan(Yongbo Duan,ChenguangZhai,et al.An efficient and high-throughput protocol for Agrobacteriummediated transformation based on phosphomannose isomerase positive selectionin Japonica rice(Oryza sativa L.)[J].Plant Cell Report,2012.DOI 10.1007/s00299-012-1275-3.)等提出的方法。
步骤2、Poscold10::GUS植株的低温胁迫处理和Poscold10的低温响应活性
从转基因植株Poscold10::GUS植株和作为对照的PUBI::GUS植株(由目前基因工程中常用的组成型启动子玉米PUBI启动子驱动GUS基因,安徽省农业科学院农业部转基因生物产品成分监督检验测试中心水稻组保存)中,挑选4个株系T1代用于启动子活性鉴定。将生长30天的植株分别置于4℃下24h进行低温处理,平行材料则置于30℃正常生长环境下作为对照。
Gus染色:取4℃下24h进行低温处理的材料,将其根、茎、叶分别染色并拍照。结果显示在4℃的低温诱导24小时的条件下,根、茎和叶均能被染成明显可见的蓝色(见图3,需要说明的是,图3本为彩色图片,但为了适应专利法要求修改成了灰度图像,但是依然可以看出染色部分),说明该启动子在4℃处理24小时时可驱动GUS基因强烈表达。
Gus基因定量分析:取处理0h、12h、24h的全株材料作为样本,使用天根生化科技有限公司的植物总RNA提取试剂盒提取样品总RNA,再使用天根生长科技有限公司的Fastquant RT试剂盒反转录为cDNA,以cDNA为模板,以ACTIN基因为内参,以天根生化科技有限公司的SuperReal PreMix Plus实时荧光定量PCR预混液为反应试剂,在ABI公司的PRISM7500荧光PCR仪上,通过qRT-PCR反应检测POscold10和PUBI启动子驱动的GUS基因表达强度。其中,用于标定ACTIN基因的定量qRT-PCR引物为:
ACTIN上游引物:5’-CCTTCAACACCCCTGCTATG-3’,
ACTIN下游引物:5’-CAATGCCAGGGAACATAGTG-3’
用于检测GUS基因表达的qRT-PCR引物为:
Gus上游引物:5’-TACGGCAAAGTGTGGGTCAATAATCA-3’
Gus下游引物:5’-CAGGTGTTCGGCGTGGTGTAGAG-3’
结果显示,在没有低温诱导时,Poscold10::GUS植株中Gus基因的表达量仅为PUBI驱动Gus活性的百分之一,而随着低温处理,POscold10表达活性显著提高,在低温处理24小时后,POscold10的表达活性达到未处理时的近40倍,同时也是PUBI的表达量的一半以上,结果见图4。该结果表达POscold10是一种低温诱导强度高的低温诱导启动子。
以上对本发明具体实施方式的描述并不限制本发明,本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变或变形,只要不脱离本发明的精神,均应属于本发明所附权利要求的范围。
序列表
<110> 安徽省农业科学院水稻研究所
<120> 一种水稻低温诱导表达启动子Poscold10及其应用
<160> 3
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 2100
<212> DNA
<213> 启动子
<400> 1
cttgggcccg tgtcagtgag gtggcggcgg caatggcgtc ggcagcgggt ggttcgtggt 60
gggcatcctt cttcaacctc tggttattct gtagcattgc ccacagctca agcactcaac 120
tgttatgttg agaaaacgaa ggcagaagag ataaaatgaa gctagagctg gaaatggttg 180
accatgaccg gctttcagac atagaaaatt cattcaagaa gttgtctaag cagaaaaaag 240
agactgatga cattagaaat tggttcatag gaacagtagt tgtagctgtg ttccttctca 300
tgaagctatt tgataatatg tactatgctt gccattgttg attttgtaca tgtcaattac 360
cagaattaat ggatggggat cactcagcat gttgatgtct cagcaaccta tccatgtgaa 420
ttctgtttat ctatctccca ctatttgaaa ctctaaatta cagcttcttc agatgggttg 480
tctaacttat ccttcaattt tagattcttg ctaagttcta gttcgttctg tttggctgaa 540
aatttgcaga attctgttta tctatctccc actgtctgaa actctgaatt acaacacact 600
agtacgagta tgtttgtttc agtctttcag aatcatgtaa attatacttt ttttcagtaa 660
ttattgccca tgtgtctagc actctactcc agtgattcct caacttttac atctatagct 720
ggattgctgt tcattgaaaa cacttgcttg taaccattgt tgtgctgctg atcactccac 780
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tttctgcgct cagatggagg aatagatgag aaagaaccga tgcggggagg gaggaaagaa 1440
agagcgcagc gagggaggaa agcggcggcg tgtgactccg gaattgttcc gcttctattt 1500
gttgttttcc aatcgtatcc tttcaagttg gacggccaga tttaatctgg tacctcctag 1560
taccagtact ggctggtaca gactgccgga cgggagtaaa actcttcata gatagatgaa 1620
tctagataga taatcaatat gaatatagaa aatgctataa tgacttacat tgtgaaatgg 1680
agagagtagt tcgaaagcat gcgcatagaa aagaaagaaa taggtcggaa aagtgaagga 1740
aaaaaaaact cagcctataa gtagggtgca cgtttatagt ttcactaagt gtttatactg 1800
tgtttcttga tagaaaataa tacgggcttt aaatttcccg tgacgctatc gatgcaattc 1860
atgcaaccaa ccaggcgtgc tgcgtgcaac acctggaaca aatcctttcg gcgttcgttg 1920
cacctggaca cacacctgca catgacgtgg ccccctatcc atccatccct taccgccttc 1980
ctctccacgc gtcgccttcc gcctccgcca cctcctcccc ctctccacac actcttcttc 2040
tccactcctc cgccgctcgc ctcgccgcgc gccgcttata tacccgcgtc tctgcgctca 2100
<210> 2
<211> 28
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 2
ctgcagcttg ggcccgtgtc agtgaggt 28
<210> 3
<211> 28
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 3
ggatcctgag cgcagagacg cgggtata 28

Claims (7)

1.一种植物低温诱导表达启动子Poscold10,其特征在于,所述植物低温诱导表达启动子Poscold10的序列如SEQ ID No:1所示。
2.一种表达盒,其特征在于,所述表达盒包含权利要求1所述的植物低温诱导表达启动子Poscold10。
3.一种重组表达载体,其特征在于,所述重组表达载体包含权利要求1所述的植物低温诱导表达启动子Poscold10,在所述重组表达载体中,所述植物低温诱导表达启动子Poscold10连接于载体中待表达的基因序列的上游。
4.根据权利要求3所述的重组表达载体,其特征在于,所述待表达的基因为Gus基因或耐冷基因,所述重组表达载体为pCAMBIA1391-Poscold10,其中pCAMBIA1391为植物双元表达载体。
5.一种宿主菌,其特征在于,所述宿主菌包含权利要求1所述的植物低温诱导表达启动子Poscold10、权利要求2所述的表达盒、或权利要求3或4所述的重组表达载体,其中,所述宿主菌为根癌农杆菌。
6.一种转化子,其特征在于,所述转化子包含权利要求1所述的植物低温诱导表达启动子Poscold10、权利要求2所述的表达盒、或权利要求3或4所述的重组表达载体、或者权利要求5所述的宿主菌,所述转化子为非植物细胞。
7.一种权利要求1所述的植物低温诱导表达启动子在培育转基因植物中的应用,其特征在于,所述应用包括:将权利要求1所述的植物低温诱导表达启动子Poscold10连接于载体中待表达的基因序列上游,从而构建重组表达载体;将所述重组表达载体转化到植物细胞、组织或器官中进行培育,所述植物为水稻。
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