环境科学学报  2018, Vol. 38 Issue (1): 336-342
油菜硒的富集特征及其与土壤硒的关系    [PDF全文]
王玉荣1 , 贾玮1 , 胡承孝1,3 , 陈岩2 , 吴志超2 , 詹婷1 , 赵小虎1,2,3     
1. 华中农业大学 资源环境学院/农业部长江中下游耕地保育重点实验室/新型肥料湖北省工程实验室, 武汉 430070;
2. 农业部农产品质量安全检测与评价重点实验室, 广州 510640;
3. 湖北省富硒产业研究院富硒农产品研究中心, 武汉 430070
摘要: 为系统研究油菜对硒的富集特征及其与土壤硒形态间的关系,采用人工添加外源硒(0、0.5、5.0 mg·kg-1土壤)的方式,构建了土壤含不同浓度硒的大田实验系统.测定了成熟期油菜不同部位硒总量、籽粒中有机小分子硒化合物及根际土壤中各形态硒的含量.明确了硒在油菜体内的富集特征;分析了籽粒中硒含量同其他组织部位及土壤硒含量间的关系;深入解析了土壤各形态硒对油菜硒的贡献.结果表明,随土壤硒浓度的增加,由根部向地上部转移的硒的比例增大;土壤高浓度(5.0 mg·kg-1)硒处理下,更大比例的硒富集于角果壳和籽粒中;硒代蛋氨酸、硒代半胱氨酸是籽粒中主要形态的有机小分子硒化合物;各浓度硒处理土壤中,均以铁锰氧化物结合态为主,占土壤总硒的87.24%~97.40%;籽粒硒含量与其他组织部位硒及土壤硒含量呈显著相关;茎干中硒与根系中硒含量呈正相关,而茎干中硒又是角果壳硒的主要贡献因子,茎干和角果壳硒对籽粒硒具有同等贡献.研究结果明确了油菜对硒的富集特征及其与土壤硒形态间的关系,有助于通过土壤中硒形态和植物营养器官中硒含量来评估籽粒中硒含量.
关键词: 油菜          富集     土壤     形态    
Characteristics of selenium accumulation in rape and the relationships between concentration of selenium in plant and in soil
WANG Yurong1, JIA Wei1, HU Chengxiao1,3, CHEN Yan2, WU Zhichao2, ZHAN Ting1, ZHAO Xiaohu1,2,3    
1. College of Resources and Environment, Huazhong Agricultural University, Key Laboratory of Arable Land Conservation in Middle and Lower Reaches of Yangtze River, Ministry of Agriculture, Hubei Provincial Engineering Laboratory for New-Type Fertilizer, Wuhan 430070;
2. Key Laboratory of Testing and Evaluation for Agro-product Safety and Quality, Ministry of Agriculture, Guangzhou 510640;
3. Se-enriched Agricultural Product Research Center, Hubei Se Industrial Research Institute, Wuhan 430070
Received 28 April 2017; received in revised from 29 May 2017; accepted 29 May 2017
Supported by the National Natural Science Foundation of China(No. 41571321, 31201501), the Fundamental National Key Project of Science and Technology (No.2014BAD14B02) and the Natural Science Foundation of Hubei Province (No.2015CFB582)
Biography: WANG Yurong (1995—), female, E-mail: 1197334653@qq.com
*Corresponding author: ZHAO Xiaohu, E-mail:xhzhao@mail.hzau.edu.cn
Abstract: To investigate the characteristics of Selenium (Se) accumulation in rape and to learn the relationships between the concentration of Se in rape and in soil, three concentrations of Se (0、0.5、5.0 mg·kg-1) were added into soil for field experiment. Concentrations and speciation of Se in different parts of plant, as well as fractions of Se in soil, were measured by HG-AFS and HPLC-ICP-MS. The characteristics of Se accumulation in rape, the relationships between the concentrations of Se in rape and fractions of Se in soil, as well as the contribution of Se in soil to plant, were analyzed. The results showed that the proportion of Se translocated from root to stem increased with the increasing of Se concentration in soil. Higher proportion of Se accumulated in seed and pod of rape planted in soil with 5.0 mg·kg-1 Se. SeMet and SeCys were the two main speciations of Se in seed. The main fraction of Se in soil was Fe/Mn oxide-bound Se in each treatment, and the proportion of which was up to 87.24%~97.40%. There were significant correlations between Se concentration in soil and Se content in the tissues of rape. The content of Se in root showed negative effect on the content of Se in stem. The content of Se in stem was the the main contribution factors to Se content in pod. The contents of Se in stem and pod contributed to the content of Se in seed equally. The present study revealed the characteristics of Se accumulation in rape, and determined the relationships between the concentration of Se in rape and in soil. The results obtained here were beneficial for predicting and assessing Se accumulation in crops which growing in soil with different concentrations of Se.
Key words: rape     selenium     accumulation     soil     fraction    
1 引言(Introduction)

硒(相对分子质量78.96)位于元素周期表中第4周期、第Ⅵ主族,是人类必需的微量元素,在人体免疫系统中有着重要作用.人体缺硒可引发10多种疾病(Fernandes and Gandin, 2015; Kieliszek et al., 2013).通过饮食摄取硒是人体补硒的主要途径之一,然而,由于常见食物中硒的含量低(Gao et al., 2011),世界上约一半人口缺硒(Zhao and McGrath, 2009).中国缺硒或贫硒土地面积占国土总面积的72%(莫海珍,2006),导致我国居民膳食中硒的摄入量更低,仅为世界平均水平的35%(秦俊法,2014).

农产品是人类主要的食物源,通过农业生物强化获得富硒农产品是人体补硒的有效方式(Rayman et al., 2008).富硒作物生产过程中,根际土壤中硒的浓度和形态,尤其是硒的生物有效性是影响农产品富硒量的主要因素(Govasmark et al., 2005).根据硒在土壤中与化合物的结合形式,其赋存形态可分为水溶态、可交换态、铁锰氧化物结合态、有机态和残渣态(吴少尉等,2004).通常向土壤中施用硒肥,仅5%~30%的硒会被植物吸收利用(Sun et al., 2010).被植物吸收的硒可在植物体内转化为有机硒和无机硒,作物体内有机硒含量占总硒的80%左右(高柱等,2014杨玉玲等,2014),人体对有机硒的吸收率也比无机硒高(Fernandes and Gandin, 2015).在众多有机硒中,小分子有机硒硒代蛋氨酸(SeMet)、硒代半胱氨酸(SeCys)等是农产品中主要形态的有机硒,可被人体高效吸收,具有抗癌功能(Santos and Takahashi, 2008).

油菜在我国农业生产和消费中占据重要的地位,也是富硒能力较强的作物之一.黄锦法等发现油菜籽硒含量及其生物富集系数均较高,是值得推广的富硒作物(黄锦法等,2010).油菜植株吸收的硒主要分配于生殖器官,分配比重占植株硒含量的70%左右(吴丽军等,2013).然而,现有的研究大多分析了硒在不同组织部位的积累(张弛,2004),很少关注硒在土壤中的形态特征及其对油菜硒富集特征的影响,更是罕见关于富硒油菜籽粒中小分子有机硒形态与含量的研究报道.

为使研究结果更具有农田生产指导意义,本文以广泛种植的油菜品种为研究对象,通过人工构建不同浓度含硒土壤,采用大田实验研究了油菜生长过程中,硒在土壤中的形态转化及油菜硒吸收、富集的特征;同时研究了不同土壤硒水平下,籽粒中有机硒的差异特征;深入分析了籽粒、角果壳中硒含量与土壤各形态硒含量的关系.旨在为通过对土壤硒形态、植物营养器官中硒含量来评估籽粒中硒含量提供理论参考.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 试验材料与场所

供试油菜品种为中国农业科学院油料作物研究所选育的优质杂交中双九号油菜.

试验场所位于华中农业大学农业生态安全教研基地,供试土壤为狮子山黄棕壤.种植前测定的土壤主要理化性质如下:pH 7.49,有机质为11.32 g·kg-1,碱解氮为35.67 mg·kg-1,速效磷为89.49 mg·kg-1,速效钾为233.6 mg·kg-1,总硒含量为0.26 mg·kg-1.

2.2 试验设计与样品采集

种植油菜前,于2015年9月初以亚硒酸钠(Na2SeO3,天津市凯通化学试剂有限公司)溶液的形式向土壤添加硒并充分混匀,自然条件下老化40 d,构建土壤不同硒水平的大田试验系统.实验共设置对照(CK)、低水平硒处理(0.5 mg·kg-1)、高水平硒处理(5.0 mg·kg-1)3个处理,各处理4个重复.土壤自然老化后,划定小区(2 m×2 m),并在各小区统一施用复合肥(芭田新时代复肥,17-17-17总养分≥51%含硝态氮硫酸钾型)各约0.2 kg.油菜生长期间,按需浇水至油菜成熟.油菜收获时,分别于各小区采集油菜植株各部位组织样品(随机采集若干油菜组织部位样品,混匀后计为一个样品)和耕层土壤样品(去除各小区表层杂质后,分别采集油菜相应的根际土壤,混匀后计为一个样品).及时用去离子水将采集的植物样品清洗,并将植物样分成根、茎、角果壳和籽粒4部分,105 ℃下杀青30 min,60 ℃烘干至恒重,研磨、存放待测.采集的土壤样品在除去根、叶和其他碎屑杂质后,研磨、过100目筛后,用于测定土壤各形态硒的含量.

2.3 样品硒含量测定 2.3.1 土壤各形态硒含量的测定

采用连续浸提法提取测定土壤各形态硒含量(刘新伟,2015).经过分级浸提将土壤硒分为5种形态,其中水溶态硒采用去离子水提取;交换态硒用0.1 mol·L-1 KH2PO4·K2HPO4(pH=7.0)提取;铁锰氧化物结合态硒采用3 mol·L-1 HCl提取;有机物结合态硒采用3 mol·L-1的K2S2O8浸提;残渣态硒则采用混酸HNO3-HClO4消化.采用氢化物发生原子荧光光谱仪(HG-AFS-8220,中国北京吉天仪器)测定各提取液中硒的含量.

2.3.2 植物及土壤总硒含量的测定

植物与土壤样品中总硒的测定采用氢化物发生原子荧光光谱法测定,植物各部位的样品与土壤样品分别用混酸(HNO3:HClO4的体积比分别为4:1与3:2)消化,在HCl(6 mol·L-1)中还原,冷却后定容、过滤.同2.3.1节,采用原子荧光光谱法测定硒含量.土壤与植物总硒测定采用的标准物质为土壤成分标准物质-黄棕壤(GBW07403(GSS-3))与菠菜-生物成分标准物质(GBW10015(GSB-6)),试验测得回收率分别为89.27%与94.31%.

2.3.3 油菜籽粒中各形态硒含量的测定

采用酶解法对油菜籽粒不同形态硒进行分离提取(Sun et al., 2010):向0.15 g油菜籽粒样品中加入15 mg蛋白酶K、10 mg脂肪酶Ⅶ和5 mL 30 mmol·L-1的Tris-HCl缓冲溶液(pH 7.5),37 ℃下避光水浴24 h,酶解期间60 r·min-1条件下振荡.水解后离心并将上清液过滤后储存于-20 ℃待测.采用高效液相色谱(1260 Infinity Ⅱ,美国安捷伦科技公司)与电感耦合等离子体质谱(7700X,美国安捷伦科技公司)联用技术(HPLC-ICP-MS)测定籽粒中各形态硒含量.其中,色谱分离柱包括一个预柱和一个Hamilton PRP X-100阴离子交换柱(10 μm,4.1 mm×250 mm).流动相为含2%甲醇的5 mmol·L-1柠檬酸铵(pH 4.3).通过监测同位素78Se的色谱信号和峰面积测定各形态硒含量.本实验中主要测定了硒代半胱氨酸(SeCys)、硒代氨基酸(SeMet)、硒甲基硒代半胱氨酸(MeSeCys)、四价硒和六价硒等.

2.4 数据统计分析

实验数据采用Excel进行处理和作图,采用SPSS 20.0进行方差分析(ANOVA),应用Duncan多重比较法进行p < 0.05水平的显著性分析.结果以4次试验的均值±标准误表示.

硒在植株各部位的富集效率以生物富集系数(BF)来表示;元素从土壤转移到植株体内及其在植株不同部位间转移的效率则用转移系数(TF)进行评价.BF与TF的计算方式如下:

(1)
(2)
3 结果(Results) 3.1 不同浓度硒处理下油菜各部位硒含量

随着土壤硒含量的增加,油菜各部位硒含量(干重, 下同)均显著增加(图 1).相比Se0处理,Se5.0处理组中油菜籽粒硒含量增加了75.51倍,根与茎中硒的含量分别增加了32.81倍与11.29倍.相比根、茎中的硒含量,籽粒中硒含量的增幅更大.Se0处理组油菜茎中硒含量占植株总硒含量的46.18%,籽粒含量最低,仅占植株总硒含量的9.40%;Se5.0处理组油菜角果壳中硒含量最高,占植株总硒的32.30%,籽粒中硒含量次之,占植株总硒的26.92%,根与茎中硒含量分别占比19.52%与21.25%.表明:土壤硒浓度较低时,硒主要积累于植株的营养器官(根和茎),硒转运并积累在籽粒中的量较少;而当土壤硒浓度较高时,更大比重的硒转移至籽粒和角果壳中.

图 1 土壤不同浓度硒处理下油菜各部位硒含量(图中不同字母表示在同一硒水平下,油菜各部位硒含量差异显著,p<0.05,下同) Fig. 1 Se content in each part of rape under different concentration of Se in soil
3.2 不同浓度硒处理下油菜籽粒中小分子有机硒含量

随着土壤硒含量的增加,籽粒中小分子有机硒含量均增加(表 1).籽粒中可检测到的小分子有机硒主要为SeCys与SeMet,其中,SeMet是籽粒中最主要的有机硒形态.在Se0.5与Se5.0处理组,SeMet分别占籽粒各形态硒总和的72.57%与89.11%.

表 1 籽粒中不同形态硒的含量 Table 1 Contents of Se speciation in seed
3.3 外源硒在土壤中的形态及其分布特征

油菜种植后,耕层土壤中各形态硒的含量及其占总硒的比例如图 2所示.土壤中各形态硒的浓度均随硒施入量的增加而增加.各处理组,不同形态硒的含量也存在显著差异,主要以铁锰氧化物结合态硒存在,约占土壤总硒含量的87.24%~97.40%;可交换态硒在5种形态硒中所占的比例最低,仅为0.0038%~0.0040%;有机态硒在总硒中所占比例随土壤硒浓度的增加而降低,铁锰氧化物结合态硒所占比例则呈现增加的趋势;在土壤较低浓度(Se0.5)硒处理组,交换态和残留态硒占总硒的比例较高;而随土壤硒浓度增加,Se5.0中交换态和残留态硒占总硒的比例降低.

图 2 土壤中不同形态硒的浓度及其占土壤总硒的比例 Fig. 2 Se content of different fractions and the proportion of Se fractions in the total Se in soil
3.4 不同浓度硒处理下油菜硒的富集与转移特征

本文通过对不同浓度硒处理下油菜植株各部位硒的含量分析发现(表 2):在土壤同一浓度硒处理下,油菜植株各部位硒的富集系数(BF值)差异较大.低浓度硒处理组(Se0.5),根中硒的BF值最大;而高浓度硒处理组(Se5.0),角果壳与籽粒中硒的BF值最大.整体而言,随土壤硒浓度的增加,油菜籽粒与角果壳中硒的BF值增加,茎中硒的BF值则呈现降低的趋势.由此可见,角果作为油菜经济器官,其硒的BF值与土壤硒浓度呈直接正相关.特别是土壤硒的施用浓度较高时,角果壳与籽粒表现出更强的富集能力.这表明通过土壤施硒以获得富硒油菜籽是可行的途径.

表 2 土壤不同浓度硒处理下油菜硒的富集系数与转移系数 Table 2 The bioaccumulation factor and translocation factor of Se in rape under different Se treatments

在本实验浓度范围内,随着土壤中硒添加量的升高,TF籽粒/角果壳值先升高后降低;随土壤硒浓度的升高,TF角果壳/茎值递增;Se5.0处理组的TF茎/根值较Se0.5处理组提高了43.98%.表明:土壤中施入外源硒后,硒在根系-茎干-角果壳间发生了高效的转移,尤其是当土壤施入高浓度硒时,硒在植株体内的转移系数更高;相比油菜籽粒中硒含量,更多的硒富集在角果壳中.

3.5 油菜各部位硒含量与土壤硒形态的相关性

将油菜各部位硒含量与土壤各形态硒含量进行相关性分析(表 3),由各相关系数的大小可看出:与油菜各组织中硒含量相关系数最大的是土壤中铁锰氧化物结合态硒含量,其次是交换态硒含量.铁锰氧化物结合态硒与籽粒、角果壳、茎、根均显著相关,Pearson相关系数分别为0.953、0.963、0.990、0.933;与籽粒硒含量、根系硒含量相关系数最低的均为土壤残留态硒含量.土壤中所有形态硒与油菜所有组织硒之间的Pearson相关系数均大于0.6(p < 0.05).

表 3 油菜各部位硒含量与土壤各形态硒含量的相关性 Table 3 Correlations between Se contents in rape tissues and Se concentrations of different fractions in soils
3.6 角果中硒含量与其他部位及土壤中硒浓度的关系

作为食用部位,油菜籽粒中硒含量是人们最为关注的问题,为弄清角果中硒含量的主要影响因素,将其分别与土壤及其他组织部位中硒含量进行相关性分析(图 3).结果显示:籽粒中硒含量与角果壳、根、茎中硒含量均显著相关,r分别为0.9848、0.9126、0.9410;籽粒和角果壳中硒含量均与土壤中硒含量存在强线性相关,r分别为0.9510与0.9629.表明:油菜籽粒中硒含量随着土壤中硒含量的增加而增加,向土壤施入外源硒可通过增加硒在根系、茎干和角果壳中的硒含量,进而提高油菜籽粒中硒的积累量.

图 3 籽粒中硒含量与油菜其他组织部位(根、茎)和土壤硒浓度间的关系 Fig. 3 Relationships between Se content in seed and Se concentration in rape tissues (pod, seed), as well as Se fraction in soil
3.7 土壤-植物营养器官-籽粒硒含量的路径分析

采用路径分析解析了土壤不同形态硒含量对油菜各部位硒含量的影响(图 4).以箭头连接表示对变量有显著的影响,并在箭头上标注两个变量间的路径系数.从图 4可看出:土壤中水溶态硒、交换态硒、铁锰氧化物结合态硒和有机物结合态硒均与根系硒含量呈正相关,残渣态硒与根系硒含量呈负相关.路径分析结果表明,根与茎、茎与角果壳中硒含量均呈正相关,且路径系数分别高达0.891、0.946;茎与角果壳中的硒对籽粒硒含量贡献相当,其路径系数分别为0.487与0.464.

图 4 土壤中不同形态硒对油菜各部位硒积累的贡献(箭头上的数值是标准化处理后的路径系数,表示箭头前因子对箭头后因子的影响大小(p < 0.05)) Fig. 4 Effects of Se fractions in soil on its accumulation in rape tissues
4 讨论(Discussion) 4.1 油菜硒的富集特征

通过向土壤中施用外源硒(如硒肥等)增加作物组织尤其是食用部位的硒含量,是富硒农产品生产的重要措施.已证实,油菜不同组织中硒含量均随土壤硒施用浓度的增加而增加(张弛,2004张晶,2011).相关研究表明,油菜硒吸收的分配规律为:角果壳>籽粒>茎>根,生殖器官硒含量占整个植株硒含量的70%左右(吴丽军等,2013);油菜施硒时根中硒含量>地上部硒含量,但外源硒施用浓度的升高有利于硒从根向地上部的转移(付小丽,2013).本研究与前人报道基本一致,土壤中外源硒的施用浓度较低时,硒主要积累于植物根、茎中,籽粒和角果壳中硒积累较少;当土壤中硒的施用浓度增至5.0 mg·kg-1时,籽粒与角果壳中硒积累量的增幅更大,角果中硒含量占植株总硒的59.22%,而积累于根部的硒比重降低.

植物对硒的吸收及其在植物各组织部位的转移取决于土壤硒的形态(王勤锋等,2011).土壤中的硒主要以4种形态存在:Se6+(硒酸盐)、Se4+(亚硒酸盐)、Se0(元素态硒)和Se2-(硒化物)(Fellowes et al., 2013).其中,硒酸盐、亚硒酸盐和有机硒是植物吸收利用的主要形态(Banuelos and Lin, 2005; Ellis and Salt, 2003; 吴雄平等, 2009).进入植物体后,亚硒酸盐更容易转化为有机硒(如硒代氨基酸),这降低了硒在植株体内的转运(Zayed et al., 1998; Arvy, 1993).从土壤中吸收进入植物体的硒主要以有机态的硒存在,包括含硒核糖核酸、硒蛋白、硒多糖等,其中,以硒蛋白含量为主.已证实:SeMet和SeCys等有机硒化合物是存在于农产品中的主要形态的有机硒,可被人体高效吸收(张安宁,2016).本研究发现,随着土壤硒含量的增加,籽粒中可检测到的小分子有机硒含量均增加(表 1),其中,SeMet是籽粒中存在的主要有机硒形态.这与前人在小麦(Cubadda et al., 2010)及水稻(Sun et al., 2010; 方勇,2010)上的研究结果一致.目前,罕见关于植物体内无机硒在向小分子有机硒化物转化的报道.

4.2 外源硒在土壤中的存在形态及其在油菜体内的转移富集规律

有研究指出,土壤中硒的主要存在形态为有机物结合态,而水溶态和可交换态硒等有效性较高的硒含量较低(Chen et al., 2010朱建明等,2008).也有研究指出,不同土壤中各形态硒的含量差异较大(王松山等,2011),如紫阳县耕层土壤中铁/锰氧化物结合态硒占到总硒的31%~91%(Wang et al., 2012).王松山等(2010)研究发现亚硒酸盐施入石灰性土壤后主要以可交换态及碳酸盐结合态形式存在.本研究发现,土壤中各形态的硒含量均随着外源硒施入量的增加而增加.施入土壤的亚硒酸根在土壤环境中经转化后主要以铁锰氧化物结合态硒存在,约占土壤总硒含量的87.24%~97.40%,而可交换态硒在5种形态的硒中占比最小.此外,本研究还发现:油菜角果中硒的含量与土壤中硒浓度呈现正相关的趋势,特别土壤硒的施用浓度较高时,更大比重的硒富集于角果壳和籽粒中.这表明通过土壤施硒以获得富硒油菜籽粒是可行且有效的.当土壤中硒的施入量较高时,硒在根系-茎干-角果壳间的转移系数更高.

4.3 土壤硒形态与植物硒含量的关系

相关性分析与路径分析用于研究系统中各因素对研究对象的影响及其贡献大小.影响植物硒积累与分布特征的关键因素是土壤中硒的存在形态(Chen et al., 2010).如有研究指出六价硒是玉米籽粒中硒的主要贡献因子(Wang et al., 2012).目前,罕见关于油菜籽粒硒含量与土壤硒形态关系的研究报道.本文在测定各处理组油菜组织中硒含量的基础上,分析了油菜不同组织部位硒含量之间的关系及土壤各形态硒对油菜籽粒硒含量的影响.发现:籽粒中硒含量与土壤、角果壳、根、茎中硒含量呈显著相关.路径分析表明,茎干与角果壳中的硒是油菜籽粒硒的主要贡献因子,茎干中的硒含量与根中的硒含量为正相关关系.土壤中水溶态硒、交换态硒、铁锰氧化物结合态硒和有机物结合态硒均与根系硒含量呈正相关,残渣态硒与根系硒含量呈负相关.本研究结果有助于通过土壤中硒形态和植物营养器官中硒含量来评估籽粒中硒含量.

5 结论(Conclusions)

1) 油菜各组织中硒含量及籽粒中小分子有机硒含量均随土壤硒施用浓度的增加而增加,其中,SeMet为籽粒中小分子有机硒的主要存在形态;随外源硒浓度的增加,更大比例的硒由根部向地上部转移.土壤施用外源硒可有效解决土壤硒缺乏等问题,并提高籽粒中SeMet含量.

2) 随着硒施用浓度的增加,土壤中各形态硒的浓度均显著增加.种植油菜后,土壤中硒的主要存在形态为铁/锰氧化物结合态;土壤高浓度硒处理使得更大比重的硒富集于角果壳和籽粒中.

3) 油菜籽粒硒含量与土壤及其他组织部位中硒含量显著相关.土壤中水溶态硒、交换态硒、铁锰氧化物结合态硒和有机物结合态硒均与根系硒含量呈正相关,残渣态硒与根系硒含量呈负相关.根与茎、茎与角果壳中硒含量均呈正相关;茎与角果壳中的硒对籽粒硒含量贡献相当.

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