蔡紫玲,吳華俊,林 同
(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院,廣東 廣州 510642)
松墨天牛谷氨酰胺6-磷酸果糖酰胺轉(zhuǎn)移酶基因克隆與表達(dá)
蔡紫玲,吳華俊,林 同*
(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院,廣東 廣州 510642)
谷氨酰胺6-磷酸果糖酰胺轉(zhuǎn)移酶(glutamine-fructose-6-phosphate aminotransferase,GFAT)是己糖胺通路(HBP)的限速酶, 參與幾丁質(zhì)的合成和蛋白質(zhì)的糖基化。本研究利用RACE克隆了松墨天牛GFAT基因(MaGFAT),GenBank登錄號(hào)為 KT362367,其長(zhǎng)度為2624 bp,開放閱讀框?yàn)?061 bp,編碼686個(gè)氨基酸。序列對(duì)比分析顯示MaGFAT與赤擬谷盜相似性最高,為88 %,在系統(tǒng)發(fā)育樹上位于同一分支。采用RT-qPCR方法檢測(cè)MaGFAT在松墨天牛不同組織及不同發(fā)育時(shí)期的表達(dá)情況,結(jié)果表明:MaGFAT在各蟲態(tài)中,成蟲中的表達(dá)量最高;在成蟲部位中,翅的表達(dá)量最高;在幼蟲各組織中,體壁的表達(dá)量最高。本文為研究GFAT結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)糸奠定基礎(chǔ),為闡明GFAT在松墨天牛幾丁質(zhì)合成中的作用提供參考。
松墨天牛;谷氨酰胺6-磷酸果糖酰胺轉(zhuǎn)移酶;基因克隆;RT-qPCR
谷氨酰胺6-磷酸果糖酰胺轉(zhuǎn)移酶(glutamine-fructose-6-phosphate aminotransferase,GFAT)是己糖胺通路(HBP)的限速酶[1],參與幾丁質(zhì)的合成和蛋白質(zhì)的糖基化。葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞后先轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸果糖,在GFAT催化下生成6-磷酸葡糖胺,經(jīng)過(guò)中間代謝環(huán)節(jié),最終轉(zhuǎn)化為二磷酸尿嘧啶N-乙酰氨基葡萄糖(UDP-GlcNAc)[2]。其中,UDP-GlcNAc是蛋白質(zhì)糖基化的重要底物,也是幾丁質(zhì)(β-1,4-N-乙酰-D-葡萄胺(β-(1-4)-NAcGA))的活性前體。幾丁質(zhì)是細(xì)菌和真菌的細(xì)胞壁重要組成成分[3],也是節(jié)肢動(dòng)物的表皮和中腸圍食膜(PM)的主要成分[4]。Hornung 等指出GFAT在幾丁質(zhì)從頭合成中起重要作用[5-7]。
松墨天牛(MonochamusalternatusHope),隸屬于鞘翅目(Coleoptera),天牛科(Cerambycidae),主要危害馬尾松(Pinusmassoniana),油松(P.tabulaeformis),黑松(P.thunbergii)等生長(zhǎng)衰弱或新伐倒的針葉樹,是松材線蟲[Bursaphelenchusxylophilus(Steiner & Buhrer)]病的主要傳播媒介昆蟲[8-9]。
目前,GFAT的研究并不廣泛,主要研究對(duì)象集中在人類、小鼠、酵母和節(jié)肢動(dòng)物,未見有關(guān)松墨天牛GFAT的研究。本文從松墨天牛cDNA文庫(kù)中克隆了GFAT基因,研究了該基因在松墨天牛各蟲態(tài)、成蟲6個(gè)部位、幼蟲5個(gè)組織中的表達(dá),旨在為研究GFAT結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)糸奠定基礎(chǔ),為闡明GFAT在松墨天牛幾丁質(zhì)合成中的作用提供參考。
1.1 松墨天牛
松墨天牛幼蟲由廣東省林科院惠贈(zèng),采用人工飼料飼養(yǎng)[10]。分別收集交配期成蟲的觸角、頭(去除觸角)、胸、足、翅、腹節(jié)等組織樣品和幼蟲的體壁、脂肪體、血淋巴、中腸、馬氏管等組織樣品;同時(shí)收集松墨天牛的3齡幼蟲以及10 d蛹及羽化3 d的成蟲。樣品置液氮中迅速冷卻后保存于-80 ℃冰箱備用。
1.2 主要試劑
E.Z.N.A.TMTotal RNA Kit II總RNA提取試劑盒購(gòu)自O(shè)MEGA公司;3'-Full RACE Core Set with PrimeScriptTMRTase試劑盒、LATaqDNA聚合酶、pMD20-T Vector試劑盒、E.coliDH5 α Competent Cells、PrimeScript?RT reagent Kit With gDNA Eraser反轉(zhuǎn)錄試劑盒、SYBR?Premix ExTaqTM實(shí)時(shí)熒光定量試劑盒購(gòu)自TaKaRa公司;通用型DNA純化回收試劑盒、質(zhì)粒提取試劑盒為天根生物有限公司產(chǎn)品;IPTG,X-Gal等試劑購(gòu)自上海生工生物工程有限公司。
1.3 RNA的提取和反轉(zhuǎn)錄
按照RNA抽提試劑盒(Omega公司)使用說(shuō)明,提取松墨天牛各樣本的總RNA。經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳和微量紫外分光光度儀(Nanodrop 2000)檢測(cè)后,按PrimeScript?RT reagent Kit With gDNA Eraser反轉(zhuǎn)錄說(shuō)明書合成單鏈cDNA,稀釋10倍用作實(shí)時(shí)熒光定量PCR(RT-qPCR)的模板。
1.4 引物設(shè)計(jì)
根據(jù)本實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的松墨天牛cDNA文庫(kù)[11],篩選出一段谷氨酰胺6-磷酸果糖酰胺轉(zhuǎn)移酶序列,以此序列為基礎(chǔ),利用Primer premier 5.0軟件設(shè)計(jì)引物Outer:5′-ATCTCGCTCGTGATGTTCG-3′和Inner:5′-TATGAGGGACCCCGTTTA-3′,并利用試劑盒中的通用引物3′RACE Outer:5′-TACCGTCGTTCCACTAGTGATTT-3′和3′RACE Inner:5′-CGCGGATCCTCCACTAGTGATTTCACTATAGG-3′進(jìn)行3′RACE。設(shè)計(jì)引物Forward(正向)(5′-TTGTGATGAGCGAAGACAGG-3′)和Reverse(反向)(5′-CGGCCAACACCTTAACTTTG-3′),以及內(nèi)參基因引物β-actin Forward(正向)(5′-CTCTGCTATGTAGCCCTTGACTT-3′)和β-actin Reverse(反向)(5′-GGAGTTGTAGGTGGTTTCGTG-3′)用于RT-qPCR。引物合成由上海生物工程有限公司完成。
隨著市場(chǎng)的發(fā)展和科學(xué)的進(jìn)步,水利施工企業(yè)對(duì)人才的需求量急劇增加,人才培養(yǎng)已經(jīng)成為了實(shí)現(xiàn)“人才強(qiáng)企”戰(zhàn)略的主要手段。注重培養(yǎng)具有較強(qiáng)專業(yè)素質(zhì)及發(fā)展?jié)摿Φ墓芾砣瞬拧⒓夹g(shù)人才、一崗多技和一崗多能的復(fù)合型人才,對(duì)企業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。由于水利施工行業(yè)的特殊性,絕大多數(shù)員工均在施工一線工作,工作地點(diǎn)遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)且條件艱苦,工程項(xiàng)目多而分散,無(wú)法集中進(jìn)行學(xué)習(xí)培訓(xùn),這種人員的分散性決定了水利施工企業(yè)人才培養(yǎng)的難度。針對(duì)水利施工企業(yè)的上述特點(diǎn),如何培養(yǎng)人才、留住人才,是擺在水利施工企業(yè)面前的難題。
1.5 基因克隆與序列分析
1.5.1 PCR與RACE 以合成的cDNA為模板,加入10×ExTaq聚合酶反應(yīng)緩沖液2.5 μl(含Mg2+),正向和反向引物各0.5 μl(10 μmol/L),dNTP 2 μl(2.5 μmol/L),ExTaqDNA聚合酶0.5 μl(5 U/μl),加ddH2O至25 μl,混勻離心(3000 r/min 10s)后進(jìn)行PCR擴(kuò)增。
以特異性引物Outer及試劑盒中提供的通用引物3′RACE Outer進(jìn)行第1輪PCR,特異性引物Inner及通用引物3′RACE Inner通過(guò)巢式PCR。PCR反應(yīng)條件:94 ℃預(yù)變性3 min;94攝氏度30 s;55 ℃(第1輪)、58 ℃(巢式) 30 s、72 ℃ 1 min,35個(gè)循環(huán);72 ℃延伸10 min。PCR產(chǎn)物經(jīng)1 %瓊脂糖凝膠電泳分析。回收目的片段、與pMD20-T載體連接、轉(zhuǎn)化大腸桿菌,挑選陽(yáng)性克隆測(cè)序。
1.5.2 序列測(cè)定 PCR及RACE產(chǎn)物經(jīng)回收純化后連接到pMD20-T克隆載體,進(jìn)一步轉(zhuǎn)化到感受態(tài)大腸桿菌DH5α中,經(jīng)氨芐青霉素和藍(lán)白斑篩選,37 ℃培養(yǎng)箱培養(yǎng)重組質(zhì)粒12 h,提取白斑質(zhì)粒DNA檢測(cè)。測(cè)序由上海生物工程有限公司完成。
1.5.3 序列分析 測(cè)定序列拼接完成后,用ORF Finder程序(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/projects/gorf/)搜索開放閱讀框(ORF),Blast程序(http://blast.st-va.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi)進(jìn)行相似性比對(duì)分析,ProtParam tool(http://web.expasy.org/protparam/)計(jì)算蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)與分子量,ProtScale(http://web.expasy.org/protscale/)分析蛋白質(zhì)的疏水性,SignalP 4.1 Server(http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/)預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)信號(hào)肽,EBI的InterProScan(http://www.ebi.ac.uk/InterProScan/)分析蛋白家族, NetPhos 2.0 Server(http://www.cbs.dtu.dk/services/NetPhos/)分析磷酸化位點(diǎn),DictyOGlyc 1.1 Serve(http://www.cbs.dtu.dk/services/DictyOGlyc/)預(yù)測(cè)糖基化位點(diǎn), Coils(http://www.ch.embnet.org/software/COILS_form.htm )預(yù)測(cè)卷曲結(jié)構(gòu)。
1.5.4 系統(tǒng)發(fā)育樹 從NCBI (http: //www. Ncbi. nlm. Nih. gov /) GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索GFAT的氨基酸序列,用DNAMAN軟件對(duì)松墨天牛GFAT及其他昆蟲GFAT進(jìn)行相似性比對(duì);用MEGA 4.0軟件構(gòu)建GFAT系統(tǒng)發(fā)育樹(NJ 法)。


起始密碼子ATG用下劃線表示,終止密碼子TAA以* 表示,特異性引物Outer以雙下劃線表示,特異性引物Inner以下劃波浪線表示,20個(gè)絲氨酸磷酸化位點(diǎn)以圓形表示,8個(gè)蘇氨酸磷酸化位點(diǎn)以矩形表示;6個(gè)酪氨酸磷酸化位點(diǎn)以三角形表示,加尾信號(hào)“AATAAA”用矩形表示圖1 MaGFAT的核苷酸及推導(dǎo)的氨基酸序列Fig.1 Nucleotide and deduced amino acid sequences of MaGFAT
用特異性引物Forward和Reverse,以微管蛋白(β-actin)基因?yàn)閮?nèi)參基因進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量PCR反應(yīng)。實(shí)時(shí)熒光定量PCR反應(yīng)體系為20 μl:10.0 μl SYBR Premix ExTaq,10.0 μmol/L的上、下游引物各0.5 μl,cDNA模板1 μl,ddH2O 7.2 μl,放入LightCycler480熒光定量PCR儀擴(kuò)增。PCR反應(yīng)條件為:95 ℃預(yù)變性5 min;95 ℃變性10 s、60 ℃復(fù)性20 s、共40個(gè)循環(huán);40 ℃冷卻30 s。設(shè)置ddH2O為陰性對(duì)照,每個(gè)樣本3次重復(fù)。反應(yīng)結(jié)束后采集目標(biāo)基因的Ct值和2個(gè)內(nèi)參基因的Ct平均值,利用 2-ΔΔCT相對(duì)定量法計(jì)算表達(dá)量[12]。采用Excel和DPS軟件的Duncan’s單因素方差分析法對(duì)RT-qPCR數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
2.1 松墨天牛GFAT的克隆及序列分析
本實(shí)驗(yàn)克隆了松墨天牛GFAT基因,GenBank登錄號(hào)為 KT362367,命名為MaGFAT,其全長(zhǎng)2624 bp(圖1),其中包括開放閱讀框(ORF)2061 bp和3’端非編碼區(qū)563 bp,ORF編碼686個(gè)氨基酸殘基,推測(cè)的分子式為C3432H5500N938O1007S38,分子量為77 233.3,等電點(diǎn)為6.72,穩(wěn)定系數(shù)為61.46,為穩(wěn)定蛋白。疏水性最大值為2.911,最小值為-2.933,為親水蛋白。GFAT有20個(gè)絲氨酸位點(diǎn),8個(gè)蘇氨酸位點(diǎn),6個(gè)酪氨酸位點(diǎn),無(wú)糖基化位點(diǎn),無(wú)信號(hào)肽,形成8段螺旋卷曲。
2.2 序列相似性比對(duì)和系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建
將MaGFAT氨基酸序列與NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中的16種昆蟲GFAT氨基酸序列進(jìn)行同源性比對(duì)(圖2),其中,MaGFAT與赤擬谷盜(Triboliumcastaneum)相似性最高,為88 %,與畢氏粗角蟻(Cerapachysbiroi)的相似性為84 %,與其他昆蟲的相似性都大于80 %。
基于17種昆蟲的寡糖基轉(zhuǎn)移酶亞基氨基酸序列構(gòu)建的系統(tǒng)進(jìn)化樹顯示(圖3):松墨天牛與赤擬谷盜遺傳距離最近,在同一分支;與菜蛾盤絨繭蜂(Microplitisdemolitor)等遺傳距離較遠(yuǎn)。
2.3 MaGFAT的表達(dá)分析
用RT-qPCR分析了MaGFAT在不同蟲態(tài)、成蟲各部位和幼蟲組織中的表達(dá)模式。MaGFAT在成蟲的表達(dá)量最高,蛹和幼蟲的表達(dá)量分別是成蟲的0.59和0.29倍,基因表達(dá)在三者之間差異顯著(P<0.005)(圖4)。成蟲各部位的表達(dá)模式為:翅膀的表達(dá)量最高,為對(duì)照的25.70倍,觸角的表達(dá)量最低,為對(duì)照的1.23倍,頭、胸、腹、足分別為對(duì)照的2.14、20.10、18.74、15.68倍,成蟲各部位MaGFAT基因表達(dá)差異顯著(P<0.05)(圖5)。幼蟲各組織的表達(dá)模式為:體壁的表達(dá)量最高,為對(duì)照的0.93倍,血淋巴的表達(dá)量最低,為對(duì)照的0.023倍,脂肪體、馬氏管、中腸分別為對(duì)照的0.37、0.26、0.28倍,基因表達(dá)有顯著差異(P<0.05)(圖6)。圖4~6中數(shù)據(jù)為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤;柱上不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

Tribolium castaneum 赤擬谷盜(XP_008191288.1);Cerapachys biroi畢氏粗角蟻(XP_011340931.1) ; Acromyrmex echinatior頂切葉蟻(XP_011059147.1); Linepithema humile阿根廷蟻 (XP_012222258.1);Monomorium pharaonis法老蟻(XP_012523497.1);Harpegnathos saltator印度跳蟻(XP_011142953.1);Camponotus floridanus佛羅里達(dá)弓背蟻(XP_011262248.1);Bombus terrestris阿里山潛蠅繭蜂(XP_012163447.1);Apis florea歐洲熊蜂(XP_012345419.1);Fopius arisanus云南小蜜蜂(XP_011301753.1); Megachile rotundata苜蓿切葉蜂(XP_012142070.1);Athalia rosae鋸蠅(XP_012264018.1);Nasonia vitripennis麗蠅蛹集金小蜂(XP_008204365.1);Microplitis demolitor菜蛾盤絨繭蜂(XP_008554199.1);Musca domestica家蠅(XP_005184307.1);Ceratitis capitata地中海實(shí)蠅(XP_012158557.1)圖2 松墨天牛與其他16種昆蟲GFAT氨基酸序列比對(duì)Fig.2 Amino acid sequence alignment of GFAT from M.alternatus and other insects

其昆蟲名稱和所用的GenBank序列號(hào)與表2相同圖3 基于昆蟲寡糖基轉(zhuǎn)移酶亞基GFAT氨基酸序列構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.3 Phylogenetic relationships of insects based on GFAT amino acids
本論文克隆了松墨天牛的GFAT基因,分析了其表達(dá)模式,旨在為研究其在松墨天牛幾丁質(zhì)合成過(guò)程中的作用提供參考。
GFAT是調(diào)控己糖胺的重要限制酶,有高度同源性,幾乎存在于每個(gè)有機(jī)體和組織中,可調(diào)節(jié)葡萄糖分解及攝取、糖原合成等,由cAMP依賴的蛋白激酶A調(diào)控。在哺乳動(dòng)物中,當(dāng)氨基己糖流量過(guò)多時(shí),GFAT能致胰島素產(chǎn)生拮抗[13-14]。在昆蟲中,GFAT能調(diào)節(jié)幾丁質(zhì)的合成。幾丁質(zhì)合成過(guò)程中,除了GFAT外,還有7種酶參與,即海 藻 糖 酶 (trehalase)、己 糖 激 酶(hexokinase)、葡 萄 糖-6-磷 酸異 構(gòu) 酶 (glucose-6-phosphate isomerase)、葡 糖 胺-6-磷 酸-N-乙 酰 轉(zhuǎn) 移 酶(glucosamine-6-phosphate N-acetyltransferase)、磷乙酰氨基葡萄糖變位酶(phosphoacetylglucosamine mutase) 、UDP-N-乙酰葡糖胺焦磷酸化酶 (UDP-N-acetylglucosamine pyrophosphorylase) 和幾丁質(zhì)合成酶(chitin synthase)[15]。這其中,海藻糖酶和幾丁質(zhì)合成酶研究最多,而有關(guān)節(jié)肢動(dòng)物GFAT的研究報(bào)道很少,只有長(zhǎng)角血蜱(Haemaphysalis longicornis)的HIGFAT[16],黑腹果蠅(Drosophila.melanogaster)的Dmel/Gfat1,埃及伊蚊(Aedesaegypti)的AeGfat參與幾丁質(zhì)的合成報(bào)道[17-19]。

圖4 MaGFAT在松墨天牛各蟲態(tài)的表達(dá)Fig.4 Expression of MaGFAT in various instars of M. alternatus

圖5 MaGFAT在松墨天牛成蟲各部位的表達(dá)Fig.5 Expression of MaGFAT in various parts of M. alternatus adults

圖6 MaGFAT在松墨天牛幼蟲各組織中的表達(dá)Fig.6 Expression of MaGFAT in various tissues of M. alternatus
如本研究通過(guò)RT-qPCR檢測(cè)MaGFAT在松墨天牛的不同組織部位和不同發(fā)育時(shí)期的表達(dá)情況。成蟲身體各部位已發(fā)育成熟,檢測(cè)結(jié)果顯示MaGFAT在3種蟲態(tài)中成蟲的表達(dá)量最高,這說(shuō)明相比于幼蟲和蛹,松墨天牛成蟲含有更多的幾丁質(zhì),由于幾丁質(zhì)和蛋白質(zhì)形成穩(wěn)固的結(jié)構(gòu),因而可推測(cè)松墨天牛成蟲比其他蟲態(tài)對(duì)外界環(huán)境具有更強(qiáng)的適應(yīng)和防御能力。類似地,MaGFAT在成蟲部位中翅表達(dá)量最高,在幼蟲組織中體壁的表達(dá)量最高,也是與幾丁質(zhì)在相應(yīng)部位或組織中的功能有關(guān)。松墨天牛為鞘翅目昆蟲,其前翅堅(jiān)硬、骨化,其中大量表達(dá)的MaGFAT為豐富的幾丁質(zhì)的合成提供了可能,從而與前翅保護(hù)后翅和體背的功能相適應(yīng)。
GFAT在昆蟲中具有較高的同源性。Kato(2002年)對(duì)埃及伊蚊AeGFAT基因進(jìn)行克隆和特征分析,發(fā)現(xiàn)AeGFAT的cDNA加尾信號(hào)AATAAA位于距PolyA 27 bp位置,氨基酸序列197~199位有保守序列“SPL”。據(jù)其推測(cè),此序列“SPL”應(yīng)為cAMP依賴蛋白激酶(PKA)調(diào)節(jié)AeGFAT活性位點(diǎn)[20]。松墨天牛MaGFAT的cDNA加尾信號(hào)AATAAA位于距PolyA 25 bp處(圖1),同源比對(duì)分析表明MaGFAT與16 種昆蟲的同源性大于80 %,同時(shí)在197~199位也發(fā)現(xiàn)有“SPL”(圖2),據(jù)此筆者認(rèn)為氨基酸序列197~199 位為GFAT的保守序列,但其功能有待研究。
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[20]N.Kato, R.Dasgupta, C.T.Smartt, et al. Glucosamine:fructose-6-phosphate aminotransferase: gene characterization, chitin biosynthesis and peritrophic matrix formation inAedesaegypti[J]. Insect Molecular Biology, 2002, 11(3):207-216.
(責(zé)任編輯 李山云)
Isolation and Expression of Glutamine-Fructose-6-Phosphate Aminotransferase Gene fromMonochamusalternatus
CAI Zi-ling, WU Hua-jun, LIN Tong*
(College of Forestry and Landscape Architecture, South China Agricultural University, Guangdong Guangzhou 510642, China)
Glutamine-fructose-6-phosphate aminotransferase (GFAT) was a rate-limiting enzyme of hexosamine biosynthetic pathway, which had a regulatory role in chitin synthase and protein glycosylation. The GFAT gene ofMonochamusalternatus(MaGFAT, GenBanK accession number is KT362367) by RACE was cloned and sequenced, and its length was 2624 bp, including 2061 bp open reading frame encoding 686 amino acids. The sequence analysis showed thatMaGFAThad a high similarity withTriboliumcastaneumat 88 % amino acid level, and both of the GFAT ofM.alternatusandT.castaneumwere in the same branch of the phylogenetic tree. TheMaGFATexpression in different tissues and development period by RT-qPCR were detected. The results showed thatMaGFAThad the highest expression in adults among developmental periods, in wings among body parts of adults and in body wall among all larvae tissues. This result would provide references for investigating the relation between structure and function of GFAT and clarifying the potential role of GFAT which played in biosynthesis of chitin inM.alternatus.
Monochamusalternatus; Glutamine-fructose-6-phoshhate aminotransferase(GFAT); Gene cloning; RT-qPCR
1001-4829(2016)09-2131-07
10.16213/j.cnki.scjas.2016.09.021
2015-09-15
國(guó)家自然科學(xué)基金(31470653); 廣東省自然科學(xué)基金(1414050001666)
蔡紫玲(1992-),女,廣東茂名人 ,碩士研究生,主要從事昆蟲分子生物學(xué)研究,E-mail:1274800271@qq.com,*為通訊作者, E-mail: lintong@scau.edu.cn。
Q966
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