作物驯化一万年：从驯化、转基因到分子设计育种-k8凯发百家乐

绘图：程莉

撰文 | 邓兴旺（北京大学现代农学院教授）

责编 | 程  莉

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在回答这些问题之前，让我们先来了解一下“驯化”这个概念。

通俗地讲，驯化就是我们的老祖宗从山上或者草地里看到合适的、心仪的野生植物，把它们带回住地去进行人工栽培繁殖，随着时间的推移，老祖宗们不断地选择他们喜好的那些植物（好吃的、产量高的等）保留下来，下一年接着种。这样，最开始的野生植物就慢慢变化成为了我们今天栽培的作物。

世界主粮作物主要有三大类：玉米、水稻和小麦。据考证，其中水稻起源于中国。约9000多年到约1万年前，中国人的祖先就已经开始种植水稻了，在水稻的驯化上为全世界作出了巨大的贡献。玉米起源于南美州的墨西哥，准确地说是墨西哥西南部的一个盆地。而小麦则起源于亚洲西部目前依然战乱频发的地方，包括伊拉克、叙利亚、黎巴嫩等，可以说两河流域文明孕育了麦类。到现在这三大主粮在全球种植和食用，人类的祖先对这些作物进行了几千上万年的驯化，这实际上就是一个有意识和无意识的农作物品种培育过程。在这个过程中，基因起着决定性作用，基因的变化决定了农作物从古到今的变化。

那么，基因是什么？专业地讲，基因是具有遗传效应的dna（即“脱氧核糖核酸”的英文首字母缩写）片段，而dna是由包含腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶（分别以a、g、c和t表示）四种碱基的脱氧核苷酸通过碱基之间互补配对的方式，按一定的顺序排列连接而成的螺旋状双链大分子物质。通俗地说，基因就是生物体中决定这种生物体长成什么样子、具有什么样的特性，而且还能把这些样子和特性传递给它的后代的一种物质。不同基因中上述四种碱基（a、g、c、t）排列顺序的差别就决定了各个基因控制的特性不一样。

了解基因的概念后，作物驯化育种的过程就好理解了。

图1.左：玉米的祖先墨西哥类蜀黍（又名大刍草）；右：现代玉米（图片来源：doebley, 2014, annu. rev. genet. 38:37–5）。

先来看看玉米的驯化。

玉米，在我国又被称为玉蜀黍、包谷、苞米、棒子等等，从这多样的中文名中就知道玉米传入我国后广受各地区百姓的喜爱。但你可知道玉米的祖先是怎样一个容貌？图1左边显示的就是玉米的祖先，右边则是现代玉米（图1）。

现在的玉米大同小异，而和它的祖先相比变化就非常大，要是没有科学研究验证那就是玉米的祖先的话，几乎没人能猜出来，其差别堪比变魔术。

首先，祖先玉米分很多杈，分出很多杆，而现代玉米只有一个杆。

其次，现在的玉米一般只长一个棒子，而祖先玉米就能结出多个棒子。

此外，现代玉米的玉米粒就长在一个玉米棒上，而且外面是没有壳的，抠下来直接就可以吃，而祖先玉米的玉米粒外面有一个很硬的壳，不能直接吃（图2）。

祖先玉米在驯化过程中是怎么变成现在的这个样子呢？这就要提到美国著名遗传学家george beadle（乔治·比德尔），他因发现一个基因一个酶而获得1958年诺贝尔奖。

退休以后，乔治就到农场做了一个很有意思的实验。这个实验的规模很大，要用很多亩地，一般的教授用不起，他因为是诺贝尔奖获得者，没有资金的问题，就能做这个实验了。经过实验以后他提出了一个假说，认为从祖先玉米到现代玉米只有约五个基因发生了变化。这在当时是很有争议的一件事，很多人并不相信其可能性。1998年，这个假说被另外一位科学家john doebley证明。他证明了从祖先玉米到现代玉米的转变可能就只是几个基因的作用，当然不一定是五个。

玉米棒子从古代到现代慢慢演变的过程，从不同年代的化石中都能找到证据。科学家最关键的实验最后证明，祖先玉米和现代玉米主要的性状（指生物体所表现的形态结构、生理生化特征和行为方式的统称，简单来讲是植物易于观察和测量的特征）差异和6个基因有关，也就是说这6个基因的变化使得祖先玉米变成了我们现在看到的玉米的样子。

每一个基因的变化都非常小，但其带来的总体影响却是很大的。一个基因能够把玉米的多个分杈变成一个分杈，准确地说，那个基因并没丢失也没有被破坏，只是活性被稍微调低了。这就像踩油门，以前踩得比较重，现在踩得轻一点，结果就不一样了。活性调低一点点就使分杈的玉米变成了我们现在一直种植的玉米的样子。

另外，祖先玉米粒外有个很硬的壳，砸开壳后玉米粒才能出来。13年前，科学家搞清楚了玉米粒由硬壳到无壳的演变是由一个基因tga1的变化导致的（图2）。

图2.玉米tga1基因突变把玉米粒从果壳里解放出来（图片来源：https://teosinte.wisc.edu/images.html；wang et al., 2005, nature436:714–719）。

大家要是在户外，特别是南方比较潮湿的草地上走路，一不留意就可能踩到野生水稻。野生水稻和草在外形上没什么区别，都是趴在地上长的，有很多性状和栽培稻（即我们现在的水稻）不一样（图3）。

栽培稻是我们的祖宗根据自己的需要反复选择而保留下来的，它和野生稻祖先的差别非常大，一个是匍匐生长（野生稻），一个是直立生长（栽培稻）。这就像我们人类的进化一样，从趴在地上四肢爬行逐渐演变成直立行走。水稻从原始到现代，也有一个从趴着到站着的转化过程，科学家最近的研究发现，从野生稻趴在地上生长变成栽培稻直立生长，实际上也是由于一个基因活性的改变造成的，却是水稻的一个非常重要的性状改变。

图3.水稻prog1基因的改变使野生稻（左）的匍匐生长变成了现代栽培稻（右）的直立生长（图片来源：tan et al., 2008, nat. genet. 40:1360–1364）。

水稻站起来的过程，还伴随着许多其它性状的改变。

原始的野生水稻籽粒成熟一粒掉一粒，仔细想想这实际上对一个物种是有利的，水稻生长在地球上，其目的不是被我们吃，而是作为一个物种繁衍后代。我们把水稻作为粮食来专门填饱我们的肚子，目标改变了，所以对它的要求也不一样，我们要求它变成现在的这个样子：直立生长，不易落粒，还要产量高，穗要紧凑，穗太散了不利于高产。现在的栽培水稻籽粒，单纯触碰它是掉不下来的，还需要收割后人工脱粒，这样收粮食时才不会损失。从落粒到不落粒，这完全是为了解决人类的吃饭问题。科学家发现，这个性状的转变也是由于一个基因中的一个碱基的变化造成的，这个变化在自然界中偶然巧合地发生，造成了性状的改变后我们的祖先便把它收留并传下来了。

在穗型方面，很发散的穗型要高产是不可能的。这跟举重运动员似的，平着胳膊举和弯起胳膊举是不一样的。所以穗就要变成紧凑型，每一个穗上面的承重量要提高，这样才能高产。穗型从发散到紧凑的原因也被研究清楚了，同样是因为一个基因里面的一个碱基发生了变化。

此外，栽培稻的演化过程中，还有一个性状发生了明显的改变。现在的水稻没有芒或者芒很短，而野生稻的芒是现代栽培稻的几十倍长，芒上面还有很多刺（图4）。野生稻为什么有这么多芒？首先，有了芒，鸟就不敢吃了，因为吃了以后芒会扎它的脖子和喉咙。同一个地方一边种野生稻，另一边种现代栽培稻，鸟只会吃没有芒的栽培稻。其次，一个带芒的籽种掉下地就像炸弹落地一样，有一个头、一个尾，就知道哪一头先着地，而且每一次情况都相同，这样它在土里扎的深，不容易水一淹就漂走了。芒还有一个好处，就是帮助籽粒粘附在动物身上被动物带走，从而广泛传播，所以野生稻的这种性状是有利于其传宗接代的。而现代栽培稻无芒或短芒的特征却有利于种子的收获、储藏和加工，从而提高了稻米产量。

图4. 水稻芒的驯化。a和c中左、b中上为野生稻，a和c中右、b中下为栽培稻（图片来源：mach,2015, plant cell 27:1818）。

上世纪五六十年代，在农作物育种历史进程中发生了一件对人类生存影响深远的大事情，那就是众所周知的“绿色革命”。第二次世界大战结束后，整个世界进入了相对和平的时期，大家不打仗，都回家生孩子去了，于是出现了所谓的“二战婴儿潮”，导致世界人口急剧增长，直接结果就是粮食供应跟不上了。绿色革命就是在那一段时间内为了解决人们的吃饭问题而发生的一场农业科技革命。

在这场革命中，美国著名育种家诺曼·布劳格（norman borlaug）起到了非常重要的作用。当时，墨西哥种植的小麦植株都比较高，把营养都消耗在了长高上，用在结种上的营养必然减少，也就必然会影响产量。小麦个子高除了消耗额外的能量外，更不利的是植株过高会头重脚轻，作物立足不稳，较容易发生倒伏，造成产量严重损失。1953年，诺曼·布劳格培育出了矮杆、半矮杆小麦（图5），这些矮个子小麦茎秆粗壮，植株在比较矮的时候就进入开花结实的阶段，可以使植株把更多的营养用在结籽上，高度降低也不易发生倒伏，产量得到了大大的提高。

随后，国际水稻研究所也进行了矮杆水稻的培育和种植。这些矮杆作物被逐渐推广到世界许多国家和地区后，几十年内，世界粮食产量因此翻番，从根本上扭转了上世纪后半时期全球饥荒的局面，拯救了许多人的生命。这个过程因此被称为“绿色革命”，诺曼·布劳格也被称为“绿色革命之父”，他因此于1970年拿到诺贝尔和平奖。

从高杆到矮杆的变化原因现在也搞清楚了，不同作物演变过程中产生的株高差异都是由于单个基因的活性改变造成的，这表明一个基因活性的改变就能够产生翻天覆地的变化。

图5. 诺曼·布劳格和他培育的矮个子小麦（图片来源：https://politikon.es/）。

除了上面所提到的主粮作物的驯化与育种外，其它作物的驯化过程也和基因的改变密切相关。

我们在世界各地的超市中见到各式各样的西红柿，它们具有不同颜色、不同形状和不同大小（图6）。而实际上，所有的西红柿都是从同一个祖先进化过来的。可能在我们祖先的培育过程中，西红柿的某一个基因稍微改变了，它的某一个地方就又不一样了。和祖先西红柿相比，现在的西红柿有很多不一样的性状，有圆的、有葫芦样的，有大的、有小的，有黄色的、有橙色的，还有叶子不一样的，有的可以几年不死，一直生长，有的植株长到某一个阶段顶端就没了，就成熟了，等等。每一个重要的变化都是由一个或者几个基因造成的——记住这点非常重要。

图6. 基因的变异导致大小、形态和颜色各异的西红柿（图片来源：自照及网络共享图片）。

上面这些例子总结起来说明了什么？

植物（包括农作物）有3万到十几万个基因，比人的基因还多（人只有2万多个基因）。遗传学的规律就是基因决定性状，因此“种瓜得瓜、种豆得豆”，这是我们祖先几千年来总结出的规律。现在世界上很多奇特的植物，无论是漂亮的或者难看的，它的性状都是由它的基因决定的，很多个基因的组合就决定了它们的样子，而且这些基因传给下一代，下一代还是长成这个样子，也就是说，它能记住自己的样子。

然而，基因的一个很小很简单的的改变，就可能产生我们肉眼看到的巨大变化。所以，基因在农作物驯化过程中起着决定性作用。作物最初的育种是从驯化开始的，驯化就是我们的老祖宗挑自己喜欢的作物，每年这么挑，但是不知道作物为什么会这么变。现在，我们对作物就有了各种要求，需要什么？想找什么？育种逐渐变成职业性的工作。而且我们知道了不管性状怎么变，都是基因改变的结果。所以，我们要做的所有这些事情本质上都是对基因进行一些改变。当然，改变基因有不同的方法，对应的就有不同的育种方式（图7），随着科学技术的进步，人类通过改变基因来改造作物的方式也在不断改进。

图7. 农作物育种方式的变化。

早在1761年，有些科学家就开始把属于同一个物种但是性状不同的植物品系通过雌蕊、雄蕊进行杂交，从杂交后代中寻找性状不同的作物，这个方式叫作常规杂交育种。也就是说，这个品系有一个好的性状，那个品系有另一个好的性状，把它们拿来杂交以后形成一个新的品种，里面兼具了这两个品系好性状的优势。这种育种方式只有亲本原来分别具有不同的优良性状时才可行，而且育种时间长，下一代是否符合要求也是随机的，因此很有局限性。

依靠自然的变化太慢了，我们祖先经过几千上万年，才把水稻产量提高到亩产100多斤。到了上世纪30年代，一种叫做诱变育种的育种方式开始出现。通过诱变育种，现在的育种家几十年就把水稻产量从100多斤提高到了1000多斤，有的还达到了1000多公斤。

这个加速的过程，说白了就是基因加速变化的过程。先用一个办法让基因高倍变化，百万倍或者亿万倍地变化，基因变完之后，育种家们在这些因基因而改变了的众多性状中选我们所需要的，这样就把可选性状的范围大大提高了。这点对我们现在的育种非常重要，因为有很多诱变后新出现的性状是以前没有的，例如刚才看到的西红柿，在自然界中实际没有那么多种类，现在都有了。

转基因育种是上世纪70年代末80年代初出现的一种新的育种方式。前面两种育种方式都是利用现有的植物中的基因，而转基因育种是我们可以引入一个植物中本来没有的基因。除了在植物之间进行转基因外，我们甚至可以把动物或者细菌中对人类有利的基因转到植物里面，从而可以跨物种利用基因。

那么，转基因究竟是个什么东西，它是怎么实现的？

这首先得从一种细菌——农杆菌说起。农杆菌实际是上个世纪初期有人开始研究植物肿瘤时发现的。植物在根和茎交界的地方经常长瘤子，和人的癌症一样，是细胞没有控制地分裂的结果，称为植物根瘤，即植物癌症（图8）。

图8.农杆菌诱发碧根果根部肿瘤（图片来源：https://ca.wikipedia.org/wiki/agrobacterium_tumefaciens）。

当时，美国研究植物癌症、动物癌症、人的癌症的科学家都是在一个癌症协会——美国癌症协会，主席是研究植物癌症的。科学家在研究过程中发现了很多有意思的现象。例如，植物根瘤肿块是由一种叫农杆菌的细菌引起的，有意思的是，植物的肿块长出来后细菌就不见了，但是没有细菌后肿块自身还可以长。这是怎么回事？原来，农杆菌个子长长的，像杆子一样，它有一个神奇的功能，就是它能把自己的一小段环形dna从自身一个细胞里面转移出来，然后转入植物细胞，经过植物细胞的细胞壁、细胞膜，一直送到植物的细胞核里面，最后把这段dna整合到植物的基因组里面，也就是植物的染色体dna上面去。

这是一个非常艰难的过程，你想象不出来它是怎么才能实现的。因为这个过程一旦启动就不能逆转了。所以在它启动时，要在该段dna上面包裹很多蛋白质，每一种蛋白质都有不同的功能，dna转运的每一步都需要一个蛋白质机器运转。就像我们的载人火箭，所有设备都齐全后先发射，然后丢一节火箭，然后又要丢这个舱那个舱，而不是说等到需要时再临时制造一个。所以说dna转运是个很复杂的过程，最后实现的目的就是把农杆菌的dna转到植物里面去，而且是很准确的转移。

农杆菌干这么复杂的工程是为了什么？其实，农杆菌做的这件事是很自私的事。它转移到植物中的dna里面大概有三个基因，这些基因让植物细胞玩命地分裂，长成癌症。分裂以后让植物细胞同时分泌一种特殊的氨基酸，这种氨基酸是一个正常氨基酸加一个特殊的修饰，别的植物、细菌都不能利用这种特殊的氨基酸，唯独这种农杆菌本身可以利用。植物细胞分泌以后该氨基酸就渗透到土里面，其他农杆菌就在土里面等着用这个东西。上面这整个过程相当于细菌通过很高超的技术把它的一段dna送到植物里面，植物就玩命地给它生产它需要的东西，相当于这个细菌有了自己专属的制造工厂。顺便提一句，农杆菌只能特定地感染植物，将它的dna转移到植物中去，而对于动物，它是不能感染的，更不能将它的dna转移到动物中去。

弄清楚农杆菌向植物转移基因的原理后，科学家们就想怎么把这个技术用在育种上。既然细菌把一段dna送到植物里面去就可以让植物干那段dna中基因干的事，那么，在那段dna上换上我们需要的基因，再利用上面的运送系统送到植物里面去，那不就是转基因植物了吗？所以我们说的转基因植物，就是利用这个原理把一个基因放到植物里面去。现在应该说大部分的转基因植物的产生都是用这个方法。

还有别的比较低等的转基因方法，例如基因枪法，其相当于把基因装在子弹上，然后打到植物里面去。虽然也可以用，但原理讲不清楚，没有技术含量。

上世纪80年代初，经过多方面合作，成功实现了转基因产业化，抗除草剂大豆是第一个真正大面积推广的转基因作物。后来，抗虫转基因玉米、转基因大豆和转基因马铃薯也成功开发并得到推广利用，使杀虫剂的使用量大大减少（图9-图11）。抗虫是利用了苏云金杆菌的一种蛋白质——bt蛋白，这种蛋白质被鳞翅目昆虫吃后却不被消化，虫子吃着吃着就饿死了，而对非鳞翅目之外的生物比如人类，不会有这样的危害。

有人会问，现在我们的常规育种手段为什么不能达到抗虫目的，而一定要通过转基因手段才能实现呢？实际上，作物的一些虫害，用传统的方法也可以对抗，但是对某些虫害，不一定能找到一个好的方法解决。有些虫害是在农作物大面积种植过程中产生的。野生植物例如野生小麦、野生水稻可能根本就没有那种害虫，因为长的面积小，害虫也繁殖不起来。但如果每年都种，有一些虫子专门喜欢人工种植的玉米或者小麦，它们就有了一个非常好的繁殖方式和场所，所以慢慢就变成作物最大的虫害了。有的时候你会在另外一个地方找到一株能很好地抗这个虫的植物，你就可以把它挪过来种植。但是大多时候是找不到的，这种情况下我们可以做诱变育种，随便诱变出一大堆植物材料，说不定其中就有抗这种虫的植物。但这种办法随机性太强，不容易成功。

更好的方法是找一个虫子，看什么东西能够让它吃了就生病，然后就用那个东西来对付虫子。那具体怎么来对付呢？在转基因抗虫之前有一个办法，就是把苏云金杆菌发酵，发酵以后产生虫子吃了会生病的蛋白质，再把这种蛋白质制成粉末，最后把粉末喷洒在植物上面，这样也能产生抗虫效果，这个办法叫生物农药抗虫。但对付虫子最好的办法是直接把那种虫子害怕的东西放到植物里面去，植物就抗这个虫了，这就是转基因抗虫的道理——把抗虫基因转到植物里，让植物自己产生抗虫蛋白，虫子吃了就活不下去了。

所以，有的时候生物农药抗虫和转基因抗虫用的是同一个东西，只是生产或者是产生这个东西的方法不一样。但是“授人以鱼不如授人以渔”，让植物自身直接生产最省心省事，一次性办好就不用再管了，毕竟每年喷洒生物农药也挺麻烦的。

现在转基因技术发展到在一个转基因植物里面同时放进十几个甚至几十个基因都没问题的程度，这样可以使一种转基因植物具有各方面优点，例如既抗虫又抗病还耐除草剂。目前，美国本土耕地上种植的转基因大豆和玉米种植面积占每个作物总面积的百分比分别达到了94%和96%。实际上美国人自己吃的和出口的大豆和玉米基本上都是转基因，美国人自己不吃是做不到的。

图9. 转基因玉米能有效抵御欧洲玉米螟的侵害，图中上为转基因玉米，下为非转基因玉米（图片来源：网络共享图片）。

图10. 转基因马铃薯能有效抵御科罗拉多马铃薯甲虫的侵害（图片来源：网络共享图片）。

图11.种植转基因玉米能大大减少杀虫剂的使用量（图片来源：science 2013, 341:731）。

2013年又出现了一个重大的科学技术进步，导致一个全新育种方式即基因编辑育种的出现。

之前诱变育种中的基因诱变都是随机的，有数以兆计的碱基变化，哪个变哪个不变控制不了，而2013年以后就可以控制了。推测某一个基因的作用后，就可以用基因编辑的方法精准调控，让这个基因的特定碱基发生改变，向着我们需要的性状的方向改变，这就叫基因编辑育种。这样的育种方式的改变是翻天覆地的，而且用起来更简单，比转基因育种用起来还简单一些，而且用完以后不留下任何痕迹，只是某个基因或者某一个碱基变了，没有任何别的东西在新的品种中留下来，是非常安全的。

从1998年开始，随着对基因的了解增多，出现了分子辅助育种。以前我们看到一个新的性状要等植物开花结果了才知道它好不好，现在通过分子标记，在种子阶段或者苗期阶段就能知道性状的好坏，就能进行育种了，这样节省了很多时间。

十多年前，科学家又提出分子设计育种的设想。我们知道关于植物和基因一定的知识以后，现在我们想要什么东西，希望作物（例如水稻）长成什么样子，就可以进行设计了。因为我们需要的性状中每一个都由某一个基因的状态决定，把这几个基因组合起来，从而在一个作物里面同时实现我们所需要的各个性状，这个作物就是我们想要的品种。

我们现在对事物的认识理解多了，所以有能力针对农民的实际需求专门做一些事情来解决一个问题。这也是分子设计育种的体现。

十年前我组建了一个水稻研究团队来解决一些农业生产上的实际问题。

在南方江浙、长江下游、广东、福建、江西、湖南、广西等水稻种植面积大的省，直播稻非常多，因为年轻的人都打工去了，留在家里的都是老弱妇幼。因为种水稻挪秧、插秧太累，所以现在种水稻的农民特别喜欢把种子撒在地里，三个月后收稻子就行了，这样做简单，所以直播稻越来越多，广东有的直播地已经用了近20年了。但是后果是杂草多了，产量也就降低了。直播稻用的年份太长，现有的除草技术已经不行了。在水稻田里，对于和水稻长得差不多的杂草，我们找不到一种农药只把它打死，有的农药把草打死的同时把水稻也打死了。

于是，我们就想了一个办法，通过刚才提到的诱变育种培育出一个抗某一种除草剂的水稻，我们把它称为“洁田稻”，然后你只要种这种水稻，再用那种除草剂一喷，就可以达到除去杂草而不伤害水稻的目的（图12）。而且这个方法可以节省很多成本，农民自己除草一年每亩大概花200到300元。这个技术从2014年开始推广，现在在全国多个省份推广。农民对这个事情还是非常感兴趣的，因为农民只有看到邻居用了后确实有效果才会感兴趣，光跟他说是没有用的。我们连续推广了好几年，2018年6月份还做了成果鉴定，都认为是挺好的事。到目前为止，在全国除了青海和西藏以外的其它省份里都在示范推广（那两个地方估计极少种植水稻）。2018年示范已达近千个地点，参与的农民特别喜欢，他们很愿意接受这件事情。

图12. 应用于水稻直播的洁田稻（图中左上），将洁田稻与专用除草剂配套使用，既能降低化学除草的风险，又能降低用药成本（减少化学除草剂的使用量和施用次数），有效防止杂草和“落田谷”，避免杂草对水稻的危害，并能提高稻谷的商品性（无杂谷）。（图片作者提供）

通过上面的介绍，我们知道，作物驯化的过程实际上是一个作物中基因改变的过程，这个过程贯穿在人类千万年的农作物育种中。以前我们的祖先只能采用传统的育种方式，只看到了改变的结果，不知道改变的原因。现在，我们知道改变控制性状的基因后，就有了许多新的育种技术，这些建立在现代生物技术之上的育种方法是一个大的趋势。但是，这些育种新技术都是建立在老技术基础上的，所做的还是同一件事，还是在育种，实施过程中还需要在田里进行筛选、杂交——这些事情和我们从几个世纪前就开始的杂交育种是同一个套路。只是那个时候我们也不知道什么能成，就试一下，碰到了找到了就成名致富了，找不到就被别人遗忘了。而现在我们有很多新手段新方法，获得新的、好的农作物品种的时间大大缩短了。

我们期待科学技术进步所引导的作物育种的进步，在不久的将来能为人类带来新的革命性的变化。 

（感谢北京大学的何光明，郝宸，张灵凤的修改建议。 2018-10-22）

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