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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:龔財立
研究生(外文):Tsai-Li Kung
論文名稱:台灣薯蕷屬植物遺傳變異之研究
論文名稱(外文):Genetic variation of the genus Dioscorea in Taiwan
指導教授:林順福
指導教授(外文):Shun-Fu Lin
口試委員:葉茂生曾富生盧煌勝李瑞興賴永昌姜金龍
口試日期:2015-07-28
學位類別:博士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:農藝學研究所
學門:農業科學學門
學類:一般農業學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:297
中文關鍵詞:遺傳歧異性山藥種原收集簡單序列重複區間分子標誌植株外表性狀
外文關鍵詞:genetic diversityyamgermplasm collectionISSR markermorphological characteristicDioscorea japonica Thunb.D. doryphora Hance
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本論文以簡單序列重複區間DNA標誌(ISSR DNA marker)及植株外表性狀評估台灣薯蕷屬(日本山薯、戟葉田薯、山芋、華南薯蓣、裡白葉薯榔、大薯及假山藥薯)種原之遺傳歧異性及親緣關係,以作為未來種原蒐集及育種利用之參考。
ISSR分子標誌分析結果顯示,日本山薯、戟葉田薯、山芋、華南薯蓣、裡白葉薯榔、大薯及假山藥薯種原間最大遺傳距離分別為69.2%、56.2%、71.4%、70.9%、58.3%、64.9%及54.8%,表示7個薯蓣屬物種內均具有高遺傳歧異度。群聚分析結果,發現7個物種種原均重疊分佈在台灣之4個地理區域,並未受地理隔離影響;而依據種原間之遺傳相似度,其中日本山薯之細葉野山藥與基隆野山藥2個變種群間可明顯區分,薄葉野山藥變種則介於細葉野山藥與基隆野山藥2個變種之間,而大薯種原可區分紫(紅)皮大薯與黃(褐)皮大薯種原。AMOVA結果顯示,上述7個物種均以縣市(次族群)內具有最主要之變異成分,依次分別為95.94%、93.35%、96.23%、91.34%、93.04%、85.29%及78.13%。POPGENE遺傳變異分析結果,日本山薯、戟葉田薯、山芋、華南薯蓣、裡白葉薯榔、大薯及假山藥薯種原測得遺傳歧異度(H)分別為0.193、0.257、0.275、0.256、0.237、0.230及0.250,物種豐富度指數(I)分別為0.314、0.402、0.423、0.396、0.369、0.359及0.371,顯示7個物種種原間具有高度遺傳變異;族群分化係數(Gst)分別為0.340、0.503、0.448、0.561、0.497、0.567及0.861,均高於一般異花作物中風媒花植物之平均值(0.143)及蟲媒花植物之平均值(0.197),其中以假山藥薯種原(0.861)最高,顯然其族群分化程度最高;而基因流轉值(Nm)分別為0.970、0.495、0.615、0.391、0.506、0.382及0.081,其中以日本山薯種原(0.970)最高,其基因流轉值接近1,顯示出整體族群之間基因交流幾近順暢,其餘6個物種之種原基因流轉值低於1,即整體族群之間均存有基因交流障礙,其中又以假山藥薯種原(0.081) 基因交流障礙最為嚴重。在4個地理區之中,台灣北部地區同時具有3種野生日本山薯變種之分布,次族群(縣市)間之基因交流流暢,且具有最大之遺傳歧異度、物種豐富指數及基因流轉值,可視為台灣野生日本山薯之遺傳變異中心。
根據植株性狀調查結果顯示,8個質量性狀中,日本山薯種原之葉基部形性狀,戟葉田薯及華南薯蕷種原之老葉顏色、幼葉顏色、莖蔓顏色及芽色性狀,山芋、裡白葉薯榔及假山藥薯種原之莖蔓顏色及芽色性狀,大薯種原之幼葉顏色、莖蔓顏色及芽色性狀,以上植株性狀之頻度分佈較均勻,適合遺傳變異評估及品種鑑定參考。數量性狀調查分析結果,日本山薯及山芋種原之葉長度、葉柄長度、葉長前寬比及葉長中寬比,戟葉田薯種原之葉中寬及葉長中寬比,華南薯蕷種原之莖部直徑及莖節間長度,裡白葉薯榔種原之葉柄直徑、葉前部寬度及葉中部寬度,大薯種原之節間長度、葉柄長度及莖部直徑與假山藥薯種原之葉柄長度、葉中部寬度及節間長度,可作為辨識重要指標。以植株外表性狀群聚分析來評估七個物種薯蓣屬種原遺傳歧異性,結果顯示地區族群相互重疊。
本論文針對台灣薯蕷屬種原進行系統性之研究,並建立台灣薯蕷屬作物之種原蒐集、評估及利用上重要資訊。


In this study, inter simple sequence repeat (ISSR) DNA markers and morphological characteristic were used to assess the genetic diversity and relationship for the germplasm of Dioscorea species (D. japonica Thunb.;D. doryphora Hance;D. bulbifera L.;D. collettii Hook. f.;D. matsudae Hayata;D. alata L.;D. persimilis Prain & Burkill) in Taiwan. The results of this study could provide information for the germplasm collection and application of breeding.
ISSR molecular marker analysis showed that the greatest genetic distance among seven species (D. japonica Thunb., D. doryphora Hance, D. bulbifera L., D. collettii Hook. f., D. matsudae Hayata, D. alata L., D. persimilis Prain & Burkill) were respectively 69.2%, 56.2%, 71.4%, 70.9% , 58.3%, 64.9% and 54.8%, indicating that seven species of the genus Dioscorea had a high degree of genetic diversity. Cluster analysis found that the distribution of seven species was overlapping in four geographic regions of Taiwan and not affected by the impact of geographical isolation. And based on the genetic similarity, the varieties oldhamii and pseudojaponica were separated into different clusters and var. japonica was grouped with both varieties, and could be distinguished by the purple (red) skin and yellow (brown) group of D. alata L. AMOVA results showed that variation within counties (subpopulation) for the seven species had a dominant component, accounting for 95.94%, 93.35%, 96.23%, 91.34%, 93.04%, 85.29% and 78.13%, respectively. POPGENE analysis of genetic variation showed that the seven species measured degree of Nei''s gene diversity (h) respectively 0.193, 0.257, 0.275, 0.256, 0.237, 0.230 and 0.250, Shannon''s information Index (I) were 0.314, 0.402, 0.423, 0.396, 0.369, 0.359 and 0.371, respectively, showing that seven species had high degree of genetic diversity. The coefficient of gene differentiation(Gst), were 0.340, 0.503, 0.448, 0.561, 0.497, 0.567 and 0.861 respectively, which were higher than the average of wind-pollinated flower plants (0.143) and entomophilous flower plants (0.197), and D. persimilis (0.861) was the highest in which. The gene flow values (Nm) were 0.970,0.495,0.615,0.391,0.506,0.382 and 0.081, respectively, among which D. japonica (0.970) had the highest gene flow value close to 1, showing that gene flow between the overall populations was almost smooth, and the gene flow values of the other six species were less than 1, suggesting that there were barriers to gene exchange between the overall population. D. persimilis (0.081) had the greatest barriers to gene flow. Among the four geographical regions, the northern regions of Taiwan also had three kinds varieties of D. japonica, between counties that gene exchanges smooth, and had a maximum degree of Nei''s genetic diversity(H), Shannon''s information Index(I) and gene flow value (Nm). This region could be regarded as the center of Taiwan''s genetic variability of D. japonica.
According to the distribution frequency, the qualitative traits in D. japonica (leaf base shape), D. doryphora and D. collettii (matured leaf color, young leaf color, stem color and bud color), D. bulbifera D. matsudae and D. persimilis (stem color and bud color), D. alata (young leaf color, stem color and bud color), were in uniform. These traits are suitable for the assessment of genetic variation and species identification. The quantitative traits of D. japonica and D. bulbifera (Leaf length, petiole length, the ratio of leaf length and terminal width leaf length), D. doryphora (medial leaf width, the ratio of leaf length and medial width), D. collettii (stem diameter and internode length), D. matsudae (petiole diameter, terminal leaf width and medial leaf width), D. alata ( internode length, petiole diameter and stem diameter), D. persimili (petiole length, medial leaf width and internode length), could be used as important indicators for species identification. Based on plant traits, the cluster analysis showed the overlapping distribution in regions for the seven species.
In this thesis, systematic studies of the genus Dioscorea germplasm in Taiwan have been established, and such important information will be useful in germplasm collection, evaluation and application.


目 錄
表目錄…………………………………………………………………………… Ⅰ-1
圖目錄…………………………………………………………………………… Ⅱ-1
中文摘要 …………………………………………………………………………… 1
Abstract …………………………………………………………………………… 3
第一章緒言 ………………………………………………………………………… 5
第二章前人研究 …………………………………………………………………… 7
第三章台灣日本山薯、戟葉田薯、山芋、華南薯蓣及裡白葉薯榔之ISSR
分子標誌遺傳變異研究 …………………………………………………… 15
前言 ………………………………………………………………………… 15
材料與方法…………………………………………………………………… 17
結果…………………………………………………………………………… 43
討論 ………………………………………………………………………… 112
結論 ………………………………………………………………………… 121
第四章台灣大薯及假山藥薯之ISSR分子標誌遺傳變異研究……………………… 122
前言 ………………………………………………………………………… 122
材料與方法 ………………………………………………………………… 123
結果 ………………………………………………………………………… 131
討論 ………………………………………………………………………… 154
結論 ………………………………………………………………………… 160
第五章台灣日本山薯、戟葉田薯、山芋、華南薯蓣及裡白葉薯榔之植株
性狀遺傳變異研究 ………………………………………………………… 161
前言 ………………………………………………………………………… 161
材料與方法 ………………………………………………………………… 162
結果 ………………………………………………………………………… 171
討論 ………………………………………………………………………… 232
結論 ………………………………………………………………………… 241
第六章台灣大薯及假山藥薯之植株性狀遺傳變異研究…………………………… 242
前言 ………………………………………………………………………… 242
材料與方法 ………………………………………………………………… 242
結果 ………………………………………………………………………… 248
討論 ………………………………………………………………………… 269
結論 ………………………………………………………………………… 273
第七章 綜合討論………………………………………………………………… 274
參考文獻 ………………………………………………………………………… 283

表 目 錄
表3-1台灣收集日本山薯種原資料表…………………………………………… 18
表3-2台灣收集戟葉田薯種原資料表 …………………………………………… 26
表3-3台灣收集山芋種原資料表 ………………………………………………… 29
表3-4台灣收集華南薯蕷種原資料表 …………………………………………… 34
表3-5台灣收集裡白葉薯榔種原資料表 ………………………………………… 38
表3-6日本山薯種原ISSR分子標誌多型性分析…………………………………44
表3-7台灣日本山薯種原4個不同地理區遺傳相似性表 ……………………… 47
表3-8利用101個ISSR分子標誌得到的100個山藥種原群聚分群表…………49
表3-9台灣日本山薯分子變異數分析 …………………………………………… 52
表3-10台灣日本山薯在4個地理區之分子變異數分析………………………… 53
表3-11台灣日本山薯種原各次族群間之Nei原始相似係數…………………… 56
表3-12台灣日本山薯種原不同地理區次族群間Nei原始相似係數…………… 57
表3-13台灣日本山薯不同族群及次族群之遺傳變異分析……………………… 60
表3-14戟葉田薯種原之ISSR分子標誌多型性分析………………………… … 61
表3-15台灣戟葉田薯4個地理區種原遺傳相似性表…………………………… 63
表3-16依據88個ISSR分子標誌所得到28個戟葉田薯種原之群聚分群表 …64
表3-17台灣戟葉田薯分子變異數分析…………………………………………… 66
表3-18台灣戟葉田薯中部及南部地理區分子變異數分析……………………… 67
表3-19台灣戟葉田薯種原各次族群間之Nei 原始相似係數 ………………… 69
表3-20台灣戟葉田薯種原不同地理區次族群間Nei原始相似係數…………… 69
表3-21台灣戟葉田薯不同族群及次族群之遺傳變異分析……………………… 71
表3-22山芋種原ISSR分子標誌多型性分析表………………………………… 72
表3-23台灣山芋4個不同地理區種原之遺傳相似性表………………………… 74
表3-24依據94個ISSR分子標誌所得到的35個山芋收集系群聚分群表…… 76
表3-25台灣山芋種原分子變異數分析…………………………………………… 78
表3-26台灣山芋在4個地理區之分子變異數分析……………………………… 79
表3-27台灣山芋種原各次族群間之Nei原始相似係數………………………… 82
表3-28台灣山芋種原不同地理區次族群間 Nei原始相似係數 ……………… 83
表3-29台灣山芋不同族群及次族群之遺傳變異分析 ………………………… 86
表3-30華南薯蕷種原之ISSR分子標誌多型性分析表………………………… 87
表3-31台灣華南薯蕷4個不同地理區種原之遺傳相似性表 ………………… 89
表3-32依據98個ISSR分子標誌所得到的31個山藥種原之群聚分群表…… 90
表3-33台灣華南薯蕷分子變異數分析 ………………………………………… 92
表3-34台灣華南薯蕷在4個地理區之分子變異數分析 ……………………… 93
表3-35台灣華南薯蕷種原各次族群間之Nei原始相似係數 ………………… 95
表3-36台灣華南薯蕷種原不同地理區次族群間Nei原始相似係數 ………… 96
表3-37台灣華南薯蕷不同族群及次族群之遺傳變異分析 …………………… 98
表3-38裡白葉薯榔種原ISSR分子標誌多型性分析表………………………… 99
表3-39台灣裡白葉薯榔在四個不同地理區種原之遺傳相似性表 …………… 101
表3-40依據81個ISSR分子標誌所得到的29個裡白葉薯榔收集系群聚
分群表 …………………………………………………………… …… 103
表3-41台灣裡白葉薯榔分子變異數分析 ……………………………………… 105
表3-42台灣裡白葉薯榔在北部及東部地理區之分子變異數分析 …………… 106
表3-43台灣裡白葉薯榔種原在各次族群間之Nei原始相似係數 …………… 108
表3-44台灣裡白葉薯榔種原在不同地理區次族群間之Nei原始相似係數 … 109
表3-45台灣裡白葉薯榔不同族群及次族群之遺傳變異分析 ………………… 111
表4-1台灣收集大薯種原資料表………………………………………………… 123
表4-2台灣收集之假山藥薯種原資料表………………………………………… 127
表4-3大薯種原之ISSR分子標誌多型性分析表 ……………………………… 131
表4-4台灣大薯種原在4個不同地理區之遺傳相似性表……………………… 133
表4-5依據86個ISSR分子標誌所得到的37個大薯種原之群聚分群表 …… 134
表4-6台灣大薯種原之分子變異數分析………………………………………… 136
表4-7台灣大薯種原在4個地理區之分子變異數分析………………………… 137
表4-8台灣大薯種原各次族群間之Nei原始相似係數………………………… 139
表4-9台灣大薯種原在不同地理區次族群間之Nei原始相似係數 ………… 140
表4-10台灣大薯種原不同族群及次族群之遺傳變異分析 …………………… 143
表4-11假山藥薯種原之ISSR分子標誌多型性分析表………………………… 144
表4-12台灣假山藥薯種原在4個不同地理區之遺傳相似性表 ……………… 146
表4-13依據60個ISSR分子標誌所得到10個假山藥薯種原之群聚分
群表 ……………………………………………………………………… 147
表4-14 台灣假山藥薯種原之分子變異數分析………………………………… 149
表4-15 台灣假山藥薯北部地理區分子變異數分析…………………………… 149
表4-16台灣假山藥薯種原各次族群間之Nei原始相似係數 ………………… 151
表4-17台灣假山藥薯種原在不同地理區次族群間之Nei原始相似係數 …… 151
表4-18台灣假山藥薯不同族群及次族群之遺傳變異分析 …………………… 153
表5-1日本山薯種原之植株質量性狀表………………………………………… 172
表5-2日本山薯種原植株數量性狀統計值……………………………………… 179
表5-3日本山薯種原植株數量性狀相關係數及顯著性測驗…………………… 181
表5-4台灣日本山薯4個地理區種原遺傳相似性表…………………………… 182
表5-5依據植株性狀分群之日本山薯種原群聚分析分群表…………………… 185
表5-6戟葉田薯種原之植株質量性狀表………………………………………… 189
表5-7戟葉田薯種原之植株數量性狀統計值…………………………………… 193
表5-8戟葉田薯種原之植株數量性狀相關係數………………………………… 194
表5-9台灣戟葉田薯在4個地理區之種原遺傳相似性表 …………………… 196
表5-10戟葉田薯種原之植株性狀群聚分析分群表 …………………………… 197
表5-11山芋種原之植株質量性狀表 …………………………………………… 199
表5-12山芋種原之植株數量性狀統計值 ……………………………………… 204
表5-13山芋種原植株數量性狀相關係數及顯著性測驗 ……………………… 205
表5-14台灣山芋在4個地理區之種原遺傳相似性表 ………………………… 206
表5-15山芋種原之植株性狀群聚分析分群表 ………………………………… 208
表5-16華南薯蕷種原之植株質量性狀表 ……………………………………… 211
表5-17華南薯蕷種原之植株數量性狀統計值 ………………………………… 215
表5-18華南薯蕷種原之植株數量性狀相關係數 ……………………………… 216
表5-19台灣華南薯蓣在4個地理區種原之遺傳相似性表 …………………… 217
表5-20華南薯蕷種原植株性狀之群聚分析分群表 …………………………… 219
表5-21裡白葉薯榔種原植株質量性狀表 ……………………………………… 222
表5-22裡白葉薯榔種原之植株數量性狀統計值 ……………………………… 227
表5-23裡白葉薯榔種原植株數量性狀相關係數 ……………………………… 228
表5-24台灣裡白葉薯榔在4個地理區之種原遺傳相似性表 ………………… 229
表5-25台灣裡白葉薯榔種原植株性狀之群聚分析分群表………………… 230
表6-1大薯種原植株質量性狀表………………………………………………… 248
表6-2大薯種原之植株數量性狀統計值………………………………………… 253
表6-3大薯種原之植株數量性狀相關係數……………………………………… 254
表6-4台灣大薯在4個地理區之種原遺傳相似性表…………………………… 255
表6-5大薯種原植株性狀群聚分析分群表……………………………………… 257
表6-6假山藥薯種原植株質量性狀表…………………………………………… 260
表6-7假山藥薯種原之植株數量性狀統計值…………………………………… 264
表6-8假山藥薯種原植株數量性狀相關係數…………………………………… 265
表6-9台灣假山藥薯在4個地理區種原之遺傳相似性表 …………………… 266
表6-10假山藥薯種原之植株性狀群聚分析分群表 …………………………… 267

圖 目 錄
圖3-1台灣日本山薯採集地點 …………………………………………………… 24
圖3-2台灣戟葉田薯採集地點 …………………………………………………… 28
圖3-3台灣山芋採集地點 ………………………………………………………… 32
圖3-4台灣華南薯蕷採集地點 …………………………………………………… 36
圖3-5台灣裡白葉薯榔採集地點 ………………………………………………… 40
圖3-6 UBC855引子對100個山藥種原ISSR分析電泳圖……………………… 45
圖3-7 100個山藥收集系根據101個ISSR分子標誌之遺傳相似性所繪製
UPGMA群聚分析圖 ……………………………………………………… 51
圖3-8 台灣日本山薯種原以POPGENE分析之次族群關係樹狀圖…………… 58
圖3-9台灣北部(A)及南部(B)地理區日本山薯種原POPGENE分析之次族
群關係樹狀圖……………………………………………………………… 59
圖3-10 28個戟葉田薯種原以UBC842及UBC 855引子所產生之ISSR電
泳條帶分析電泳圖………………………………………………………… 62
圖3-11根據88個ISSR分子標誌對28個戟葉田薯收集系所繪製UPGMA
群聚分析圖 ……………………………………………………………… 65
圖3-12台灣戟葉田薯種原以POPGENE分析族群關係樹狀圖 ……………… 70
圖3-13台灣南部族群戟葉田薯種原以POPGENE分析所繪之族群關係樹
狀圖 ……………………………………………………………………… 70
圖3-14 UBC844引子對35個山芋收集系之ISSR分析電泳圖………………… 73
圖3-15根據94個ISSR分子標誌對35個山芋收集系所繪製UPGMA
群聚分析圖 ……………………………………………………………… 77
圖3-16台灣山芋種原以POPGENE分析之次族群關係樹狀圖 ……………… 84
圖3-17 台灣北部(A)及南部(B)地理區山芋種原以POPGENE分析之次族
群關係樹狀 ……………………………………………………………… 85
圖3-18 UBC823及UBC855引子對31個華南薯蕷收集系之ISSR分析
電泳圖 …………………………………………………………………… 88
圖3-19根據87個ISSR分子標誌對31個華南薯蕷收集系所繪製UPGMA
群聚分析圖 ……………………………………………………………… 91
圖3-20 台灣華南薯蕷種原以POPGENE分析之族群關係樹狀圖 …………… 97
圖3-21 台灣北部地區華南薯蕷種原以POPGENE分析之族群關係樹狀圖 … 97
圖3-22 UBC808引子進行29個裡白葉薯榔收集系之ISSR分析之電泳圖 … 100
圖3-23根據81個ISSR分子標誌對29個裡白葉薯榔收集系所繪製UPGMA
群聚分析圖……………………………………………………………… 104
圖3-24 台灣裡白葉薯榔種原以POPGENE分析之次族群關係樹狀圖……… 110
圖3-25 台灣北部地理區裡白葉薯榔種原以POPGENE分析之族群關係
樹狀圖…………………………………………………………………… 110
圖4-1 台灣大薯種原採集地點 ………………………………………………… 126
圖4-2 台灣假山藥薯種原採集地點 …………………………………………… 128
圖4-3 UBC844引子對37個大薯種原之ISSR分析電泳圖 ………………… 132
圖4-4 根據86個ISSR分子標誌對37個大薯種原所繪製UPGMA群聚
分析圖 …………………………………………………………………… 135
圖4-5 台灣大薯種原以POPGENE分析之次族群關係樹狀圖 ……………… 141
圖4-6 台灣北部(A)及中部(B)地區大薯種原POPGENE分析之次族群關
係樹狀圖 ………………………………………………………………… 142
圖4-7 UBC810及UBC844引子對10個假山藥薯種原之ISSR分析電泳
圖 ………………………………………………………………………… 145
圖4-8 根據60個ISSR分子標誌對10個假山藥薯種原所繪製UPGMA
群聚分析圖 ……………………………………………………………… 148
圖4-9台灣假山藥薯種原POPGENE分析次族群關係樹狀圖 ……………… 152
圖4-10台灣北部地理區假山藥薯種原POPGENE分析之次族群關係樹狀
圖 ……………………………………………………………………… 152
圖5-1 日本山薯種原葉部形態 ………………………………………………… 176
圖5-2 日本山薯種原植株數量性狀分布 ……………………………………… 178
圖5-3 日本山薯種原植株性狀群聚分析圖 …………………………………… 187
圖5-4 戟葉田薯種原葉部形態 ………………………………………………… 190
圖5-5 戟葉田薯種原之植株數量性狀分布 …………………………………… 192
圖5-6 戟葉田薯種原植株性狀群聚分析圖 …………………………………… 198
圖5-7 山芋種原之葉部形態 …………………………………………………… 201
圖5-8山芋種原之植株數量性狀分布…………………………………………… 203
圖5-9山芋種原之植株性狀群聚分析圖………………………………………… 209
圖5-10 華南薯蕷種原之葉部形態……………………………………………… 212
圖5-11華南薯蕷種原之植株數量性狀分布 …………………………………… 214
圖5-12華南薯蕷種原之植株性狀群聚分析圖 ………………………………… 220
圖5-13 裡白葉薯榔種原之葉部形態…………………………………………… 224
圖5-14裡白葉薯榔種原之植株數量性狀分布 ………………………………… 226
圖5-15裡白葉薯榔種原之植株性狀群聚分析圖 ……………………………… 231
圖6-1大薯種原之葉部形態……………………………………………………… 250
圖6-2大薯種原植株性狀分布…………………………………………………… 252
圖6-3大薯種原之植株性狀群聚分析圖………………………………………… 258
圖6-4假山藥薯種原之葉部形態………………………………………………… 261
圖6-5假山藥薯種原植株數量性狀分布………………………………………… 263
圖6-6假山藥薯種原之植株性狀群聚分析圖…………268


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