Artículos

 

Variación isoenzimática en maíces nativos de la región Llanos de Serdán, Puebla*

 

Isoenzymatic variation of maize landraces from the region Llanos de Serdán, Puebla

 

René Hortelano Santa Rosa¹, Amalio Santacruz Varela^2§, Abel Gil Muñoz³, Higinio López Sánchez³, Pedro Antonio López³ y Salvador Miranda Colín²

 

¹ Campo Experimental Valle de México. INIFAP. Carretera Los Reyes-Texcoco, km 13.5. Coatlinchán, Texcoco, Estado de México. C. P. 56250. Tel. 01 595 9212657. Ext. 152. (hortelano.rene@inifap.gob.mx).

² Campus Montecillo. Colegio de Postgraduados. Carretera México-Texcoco, km 36.5. Montecillo, Texcoco, Estado de México. C. P. 56230. Tel. 01 595 95 20200. Ext. 1570 y 1551. (smiranda@colpos.mx). ^§ Autor para correspondencia: asvarela@colpos.mx.

³ Campus Puebla. Colegio de Postgraduados. Carretera Federal México-Puebla, km 125.5. Puebla, México. C. P. 72760. Tel. 01 222 2851447. Ext. 2061, 2207 y 2029. (gila@colpos.mx), (higiniols@colpos.mx), (palopez@colpos.mx).

 

* Recibido: enero de 2011
Aceptado: octubre de 2011

 

RESUMEN

Con la finalidad de explorar la variación isoenzimática, el grado de diferenciación genética y las relaciones filogenéticas de poblaciones nativas de maíz (Zea mays L. ssp. mays) de la región Llanos de Serdán del estado de Puebla, se estudiaron 51 colectas provenientes de 10 municipios del Distrito de Desarrollo Rural de Libres y seis testigos representantes de las razas Cónico, Cónico Norteño, Palomero Toluqueño y Chalqueño. Se examinaron diez sistemas enzimáticos que codifican para 18 loci de enzimas, donde se detectaron 52 alelos. Con base en las frecuencias alélicas se estimaron parámetros de diversidad genética, encontrándose que el conjunto de poblaciones nativas presentó 98% del total de alelos, con nueve exclusivos, con promedio de 2.83 alelos por locus, 88.9% de loci polimórficos y una heterocigosidad esperada de 0.27. Se encontró moderada diferenciación genética (0.085), indicando que sólo 8.5% de la variación se presentó entre grupos y 91.5% dentro de los grupos. Las poblaciones nativas presentaron mayor similitud genética con la raza Chalqueño, aunque están divergiendo de la misma, posiblemente por efectos de la selección practicada por los agricultores de la zona.

Palabras clave: Zea mays L., germoplasma, marcadores bioquímicos, recursos fitogenéticos.

 

ABSTRACT

In order to explore the isoenzymatic variation, the degree of genetic differentiation and phylogenetic relationships of native populations of maize (Zea mays L. spp. mays) of the Llanos de Serdán region, Puebla, we studied 51 collections from 10 municipalities in Libres' Rural Development District and six controls, representatives of Cónico, Cónico Norteño, Palomero Toluqueño and Chalqueño races. Ten enzyme systems encoding for 18 loci were examined, where 52 alleles were detected. Based on allele frequencies, the genetic diversity parameters were estimated, finding that the entire native population presented 98% of the total alleles, with nine exclusives, with an average of 2.83 alleles per locus, 88.9% of polymorphic loci and expected heterozygosity 0.27. Moderate genetic differentiation (0.085) was found, indicating that only 8.5% of the variation was between groups and 91.5% within the groups. The native populations had a higher genetic similarity with Chalqueño race, although they are diverging from it, possibly because of the selection practiced by farmers in the area.

Key words: Zea mays L., biochemical, genetic resources, germplasm.

 

INTRODUCCIÓN

México es un centro de origen, domesticación y diversidad del maíz (Zea mays L. ssp. mays) (Kato, 1984; Kato et al., 2010); aquí se encuentran alrededor de 59 razas, las cuales representan 3 0% de las reportadas para el continente americano (Sánchez et al., 2000a). Se ha realizado una gama considerable de estudios tendientes a cuantificar la diversidad de este cultivo, ya sea a nivel nacional (Doebley et al., 1985; Sánchez et al., 2000a) o regional (Mijangos et al., 2007; Hortelano et al., 2008; López et al., 2009), recurriendo a caracterizaciones morfológicas y/o isoenzimáticas.

Los marcadores bioquímicos, como las isoenzimas, han sido ampliamente usados debido a su polimorfismo, codominancia, herencia simple y a que los estudios correspondientes son rápidos y relativamente económicos (Bretting y Widrlechner, 1995). Con estos marcadores es factible determinar las frecuencias alélicas, usando éstas para evaluar la diversidad y para calcular las distancias genéticas e inferir relaciones filogenéticas o sistemáticas entre las poblaciones o razas estudiadas (Doebley et al., 1988).

López et al. (2009) señalaron que en México, aún falta por explorar con mayor detalle la variación genética dentro de razas de maíz a nivel de regiones específicas, como es el caso del Distrito de Desarrollo Rural de Libres (DDR 04); que comprende a Llanos de Serdán y constituye la principal zona productora, contribuyendo con 41% de la producción de maíz del estado de Puebla (SIAP, 2010) y que en él se emplean predominantemente maíces nativos, cultivados 90% bajo condiciones de temporal (INEGI, 2002).

A pesar de su importancia, al momento no se cuenta con estudios que permitan conocer la variabilidad de las poblaciones nativas allí cultivadas a nivel de marcadores genéticos, lo que condujo a realizar la presente investigación, planteando como objetivos evaluar el grado de variabilidad isoenzimática de los maíces nativos de los Llanos de Sedán del estado de Puebla, determinar el grado de diferenciación genética de las poblaciones y estudiar las relaciones que presentan éstas con las razas reportadas para la región.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

Material genético

Se analizaron 51 poblaciones nativas colectadas en 10 municipios de la región de los Llanos de Serdán (Cuadro 1), ubicada en la porción centro-oriente del Distrito de Desarrollo Rural de Libres, Puebla (DDR-04), quedando delimitada por los paralelos 18° 38' 44" y 19° 41' 10" latitud norte y los meridianos 96° 59' 30" y 98° 01' 34" longitud oeste, en altitudes que van de 2 340 a 2 980 m. El grupo examinado se definió tomando las poblaciones más representativas de un estudio previo de caracterización morfológica, de 134 poblaciones de la región de referencia (Hortelano, 2010).

Se seleccionaron poblaciones nativas ubicadas en los cinco grupos formados con el análisis morfológico, procurando incluir la gama de coloraciones de grano y procedencias en cada grupo. El Grupo I se integró por 47 poblaciones; 87.2% de ellas de grano color crema, tardías respecto a los otros grupos y con mayor diámetro de mazorca y longitud de grano. El Grupo II estuvo compuesto por 19 poblaciones, 84.2% de ellas de grano cremoso tardío, pero con mayor altura de planta y mazorca, mayor longitud de mazorca y más granos por hilera que el anterior.

El Grupo III tuvo 34 materiales, 17 de grano cremoso y 17 de grano pigmentado (azul, negro y amarillo), más precoz que los anteriores. Al Grupo IV pertenecieron 28 poblaciones; predominando las de grano pigmentado (68%), particularmente las de grano amarillo con mazorcas que fueron de bajo diámetro. El Grupo V incluyó a seis poblaciones, todas de color cremoso, precoz, poca altura de planta y mazorca, menor diámetro de mazorca, pero con los granos más anchos.

Para el análisis isoenzimático se incluyeron adicionalmente poblaciones representativas de las razas Cónico (Criollo del Mezquital), Cónico Norteño (Zac-58), Chalqueño, en sus variantes Chalqueño (Mex-15 8), Chalqueño Crema (7CSM) y Chalqueño Palomo (Col. 6538) y Palomero Toluqueño (Mex-5).

Análisis isoenzimático

Se obtuvo extracto enzimático de 10 individuos de cada población estudiada siguiendo los protocolos de Stuber et al. (1988), incluyendo además las líneas B73 y Mo24W, empleadas como referencia en virtud de contar con alelos y patrones de bandeo conocidos.

Se analizaron 10 sistemas enzimáticos que codifican para 18 loci, incluyendo las enzimas (β-glucosidasa (Glu1), malato deshidrogenasa (Mdh1, 2,3,4 y 5), fosfatasa ácida (Acp1), alcohol deshidrogenasa (Adh1), catalasa (Cat3), glutamato oxaloacetato transaminasa (Got1, 2 y 3), esterasa (Est8), isocitrato deshidrogenasa (Idh1, Idh2), fosfato isomerasa (Phi1) y fosfoglucomutasa (Pgm1 y Pgm2), todas ellas localizadas en ocho de los diez cromosomas del maíz.

Las enzimas fueron separadas mediante electroforesis en geles de almidón y su desplazamiento fue revelado con tinciones específicas para cada enzima de acuerdo con los protocolos citados. Los zimogramas se fotografiaron para realizar la lectura de las bandas.

Análisis estadístico

A partir de la lectura de los zimogramas por población e individuo, se calculó el número de alelos por locus y el promedio de alelos por locus, y se estimaron parámetros de diversidad genética tales como las frecuencias alélicas, el porcentaje de loci polimórficos, considerando como polimórficos aquellos donde la frecuencia del alelo más frecuente no fuera superior a 95% (Brown y Weir, 1983), y la heterocigosidad esperada o diversidad genética de las poblaciones, calculada como He= 1 donde x, es la frecuencia en la población del i ésimo alelo en un locus y m es el número de alelos (Nei, 1973).

Adicionalmente, para cada locus se estimó la diferenciación genética relativa de las poblaciones (G_ST), calculada como GST= 1 - , donde HH_S Ses la heterocigosidad esperada de los individuos con respecto al subgrupo del que forman parte y H_T es el valor de la heterocigosidad esperada con respecto al total de poblaciones estudiadas (Nei, 1973), todo ello para cada uno de los cinco grupos de poblaciones y los testigos raciales, utilizando el programa POPGENE versión 1.31 (Yeh et al., 1999).

A partir de las frecuencias alélicas por grupos de poblaciones nativas y testigos raciales, se generó una matriz de distancias genéticas mediante el paquete NTSYS-pc (Rohlf, 1993), utilizando la distancia modificada de Rogers, ya que ésta cumple con la propiedad de metricidad (Rogers, 1986). Con la matriz de distancias se obtuvo un f ilograma, mediante el método de agrupamiento de vecinos (Neighbor-Joining) (Saitou y Nei, 1987), utilizando a la población Palomero Toluqueño como grupo externo, por ser una raza Indígena Antigua y basal en el proceso evolutivo del maíz (Wellhausen et al., 1951).

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Número de alelos

Las poblaciones nativas presentaron un promedio de 2.83 alelos por locus, mientras que el grupo de testigos raciales tuvo 2 alelos por locus. El número promedio de alelos por grupo varió desde 2.05 hasta 2.61; en el caso de los testigos raciales, el intervalo fue de 1.2 en Palomero Toluqueño a 1.53 en Cónico Norteño y Chalqueño Crema (Cuadro 2). Se puede afirmar que los Grupos con un menor número de alelos tienen una menor diversidad genética (Liu, 1998); en el caso del Grupo V, ello puede atribuirse al menor número de poblaciones que lo integraron (tres) y al hecho de que todas ellas provienen de localidades relativamente cercanas, ubicadas en un radio no mayor a 23 km.

En total se encontraron 52 alelos, de éstos 51 estuvieron presentes en las poblaciones nativas y 32 en los testigos raciales; 13 alelos fueron exclusivos a las poblaciones nativas. Las poblaciones nativas en su conjunto presentaron 29.4% de alelos en común con Chalqueño y Palomero Toluqueño, 33.3% con Chalqueño Palomo, 37% con Cónico y 3 9.2% con Cónico Norteño y Chalqueño Crema (Cuadro 3). Los loci Adh1, Pgm1, Mdh4 y Got2 resultaron ser monomórficos, mientras que aquellos con mayor cantidad de alelos fueron Glu1 (7 alelos), Est8 (5 alelos), Acp1, Phi1 y Pgm2 (4 alelos cada uno).

El número de alelos encontrado entre los maíces nativos de los Llanos de Serdán, Puebla; es similar al reportado para la raza Zapalote Chico (2.42) y Maíz Grande (2.47) en el Istmo de Tehuantepec, Oaxaca (López et al., 2009); así como para maíces dulces (2.78) (Revilla y Tracy, 1995) y para el complejo racial dentado de la Faja Maicera (2.67) (Smith, 1986), por lo que puede decirse que el nivel de variación detectado en este trabajo es comparable al de otros estudios regionales o los realizados con poblaciones de una misma raza, en los cuales se ha detectado la existencia de diversidad genética.

Porcentaje de loci polimórficos

Utilizando el criterio propuesto por Brown y Weir (1983) de considerar un locus como polimórfico cuando la ocurrencia del alelo más frecuente no supera 95%, se observa que los Grupos II a V presentaron 72.2% de loci polimórficos, y que el Grupo I tuvo el valor más alto con 83.3% (Cuadro 2), lo cual se relaciona al hecho de que dicho grupo presentó el mayor número de alelos promedio por locus y que las poblaciones que formaron este agrupamiento fueron de procedencia muy diversa.

Crossa et al. (1993) han argumentado que el polimorfismo es un factor primordial para explicar la evolución, ya que la presencia de variantes alternativas permite que las especies puedan responder mejor a los retos del medio en el que viven; en consecuencia, poblaciones (o conjuntos de estas) con mayor polimorfismo tendrán mayor diversidad genética, mejor capacidad de adaptación al ambiente y, por tanto de evolución.

En conjunto las poblaciones nativas presentaron un promedio 88.9% de loci polimórficos, mientras que los testigos raciales alcanzaron un promedio 66.6%. Estos resultados son semejantes a los encontrados en poblaciones nativas de maíz del Valle de Puebla (Hortelano, 2006), donde el promedio de polimorfismo fue 76.5%, y a los encontrados en el Istmo de Tehuantepec, Oaxaca, por López et al. (2009), que fueron 58 y 74% para Zapalote Chico y Maíz Grande, respectivamente; incluso, son comparables con los reportados a nivel de raza por Sánchez et al. (2000b) quienes reportaron un promedio 74% de loci polimórficos en 300 razas de las Américas, y Bretting et al. (1990) un valor 72% en razas de Guatemala.

En este contexto, se infiere que las poblaciones nativas de maíz estudiadas, tienen grados de polimorfismo isoenzimático comparable con maíces de otras zonas de nuestro país o regiones del Centro y Sudamérica, donde el maíz es un cultivo muy arraigado.

Heterocigosidad esperada

La heterocigosidad esperada (H_S) se refiere a la fracción estimada de individuos que serían heterocigotos para un locus elegido al azar, y es una predicción basada en la frecuencia de alelos conocidos de una muestra de individuos de una determinada población, de grupos de poblaciones o del total de poblaciones en general, después de una supuesta generación de apareamiento aleatorio (Nei, 1987), de tal forma que un mayor nivel de heterocigosidad implicará a especies alógamas mayor diversidad genética.

Los datos del Cuadro 2 evidencian que las poblaciones nativas tuvieron un valor promedio H_S de 0.23 9, y que dentro de éstas, fue el Grupo V el que presentó el valor más bajo (0.22) y el Grupo III el más alto (0.24); los demás grupos presentaron valores intermedios a los ya mencionados. Los testigos raciales invariablemente presentaron valores más bajos de H_S que las poblaciones nativas, desde 0.078 en Palomero Toluqueño hasta 0.176 en Chalqueño Crema (Cuadro 2), con un promedio grupal de 0.204.

Comparando los resultados con otros trabajos donde se analizó el mismo grupo de loci de isoenzimas, se observa que los valores de heterocigosidad esperada encontrados son semejantes a los encontrados en las poblaciones del Valle de Puebla (Hortelano, 2006), con H_S= 0.216 de H_S, o las encontradas en el Istmo de Tehuantepec, Oaxaca, con H_S de 0.224 (López et al., 2009) o en maíces de Guatemala, H_S de 0.266 (Bretting et al., 1990).

Los valores también se aproximan a los reportados en estudios con diferentes razas, como el de Sánchez et al. (2000a), quienes reportan valores de H_S de 0.269, y el de Sánchez et al. (2000b) quienes consignan valores de 0.189 en 300 razas de las Américas, o el de Goodman y Stuber (1983), quienes reportaron H_S= 0.234 en las razas de Bolivia. Estos resultados demuestran que las poblaciones nativas de maíz del centro-oriente del estado de Puebla presentan diversidad genética comparable, o aun mayor que los maíces de otras regiones de México y Latinoamérica.

Frecuencias génicas

La comparación de las frecuencias génicas entre los cinco grupos de poblaciones nativas, evidenció que en cinco loci (Glu1, Acp1, Got3, Est8 e Idh2) se tuvieron los mayores contrastes (Cuadro 3); así, el grupo I presentó en forma exclusiva los alelos Glu1-1, Acp1-6, Got3-2 y tuvo una mayor frecuencia de Idh2-4 respecto a los demás grupos, donde la mayor frecuencia correspondió al alelo Idh2-6. El grupo II se distinguió por presentar el alelo Glu1-2.5, mientras que los Grupos II, III y V fueron los únicos con el alelo Cat3-7.

Isoenzimáticamente, los Grupos III y IV fueron muy semej antes entre sí, excepto porque el grupo III presentó los alelos Cat3-7, Est8-8 e Idh1-2 (no contenidos en el Grupo IV) y el grupo IV tuvo el alelo Idh2-4.2 (ausente en el grupo III). El grupo V presentó frecuencias relativamente bajas en los alelos Glu1-2, Mdh5-18 y Acp1-2, pero tuvo frecuencias relativamente altas en los alelos Idh2-6, Mdh5-15 y Acp1-3.

Doebley et al. (1986) mencionan que la riqueza alélica es un indicativo del potencial adaptativo y productivo de una población, aunque también consignaron que se conoce muy poco respecto al efecto que tienen las frecuencias altas de ciertos alelos de un loci en el fenotipo de los individuos. Argumentaron también que las diferencias genéticas entre poblaciones, están influenciadas por fenómenos tales como la deriva genética, la presión de selección asociada a cambios de ambiente de producción y el aislamiento reproductivo.

A nivel de grupos de poblaciones nativas se encontraron ocho alelos (15.4% del total) con frecuencia menor a 0.01. (Cuadro 3). Estos valores son semejantes a los encontrados por López et al. (2009) en materiales de Zapalote Chico y Maíz Grande (12 y 17%, respectivamente); por Revilla y Tracy (1995) en poblaciones de maíz dulce (22%), y por Santacruz et al. (2004) en maíces palomeros (5%).

Algunas de las frecuencias génicas encontradas para los grupos de poblaciones nativas coinciden con lo observado en otros estudios; por ejemplo, las frecuencias del alelo Mdh2-6 y Phi1-4 fueron muy parecidas a las reportadas por Llauradó et al. (1993); Doebley et al. (1985, 1988); Santacruz et al. (2004); lo mismo ocurrió para los alelos Got3-4, Idh2-6, al comparar con lo reportado por Doebley et al. (1985); Doebley et al. (1988).

No obstante, también hubo diferencias, López et al. (2009) encontraron frecuencias más altas del alelo Mdh2-3 que en este trabajo; lo mismo ocurrió para el aleloMdh5-15 al ser comparado con los resultados de Llauradó et al. (1993); Doebley et al. (1985; 1988); Santacruz et al. (2004). En el caso del alelo Got3-4, López et al. (2009); Llauradó et al. (1993); Doebley et al. (1988); Santacruz et al. (2004) encontraron fijación del mismo, situación que no ocurrió en este trabajo. Esta información ilustra la diferenciación que en frecuencias alélicas se esperaría encontrar entre poblaciones de maíz de diferentes países, regiones o microrregiones, situación que en lo general se atribuye a procesos como el manejo particular y selección del cultivo, migración, mutación y deriva genética (Pressoir y Berthaud, 2004).

En el caso de la región de estudio y debido a lo compacto de la misma, es difícil atribuir las diferencias en frecuencias génicas de isoenzimas entre grupos a factores como la adaptación o la selección, ya que se esperaría que aquellos no tuvieran efecto en la distribución alélica debido a que las isoenzimas se consideran como marcadores selectivamente neutros (Nevo et al., 1988); no obstante, se ha detectado asociación entre el cambio en las frecuencias génicas en loci de isoenzimas y la selección para mejorar el rendimiento y el manejo por parte de los agricultores (Stuber et al., 1980).

Diferenciación genética

La diferenciación genética (G_ST) es un parámetro que denota la variabilidad entre poblaciones, siendo su complemento la variabilidad dentro de las mismas (Nei, 1973). En el Cuadro 4 se presentan los valores de G_ST en los cinco grupos de poblaciones nativas, testigos raciales y otros estudios. Los menores valores de diferenciación genética, considerando todos los loci, se presentaron en los cinco grupos de poblaciones nativas; a nivel de grupo el valor de G_ST fue de 0.085, indicando que 8.5% de la variación residió entre grupos y 91.5% dentro de éstos, considerando la diferenciación como moderada (Snyder et al., 1985).

El grupo II presentó la mayor diferenciación genética en el locus Mdh5 (0.227), y la menor en el locusMdh2, contrariamente a lo encontrado para este locus en el grupo anterior. El grupo III presentó la menor diferenciación genética en todos los loci con respecto a los otros grupos, mostrándose como el grupo con las poblaciones más homogéneas.

El Grupo IV se caracterizó por presentar la menor diferenciación en el locus Go t1, y la mayor en Mdh5 y Phi1. El valor promedio de G_ST fue bajo y semejante al del grupo III (Cuadro 4). El Grupo V, a pesar de presentar los menores valores de G_ST respecto a los demás grupos en los loci Mdh1, Mdh3 y Phi1 (0.001), fue el que tuvo una mayor riqueza alélica en el locus Glu1 (0.169).

Comparando los valores de diferenciación genética (G_ST) del conjunto de poblaciones nativas de la región de estudio con otros trabajos, se tiene que los primeros fueron menores a los obtenidos por López et al. (2009) en maíces del Istmo de Tehuantepec, Oaxaca (0.126), por Llauradó et al. (1993) en maíces de España (0.149) y por Doebley et al. (1985) en 34 razas mexicanas (0.277). Los testigos raciales en conjunto presentaron un G_ST de 0.363. Una explicación puede ser las diferencias en cuanto al área explorada, pues en el presente estudio ésta abarcó 2 479 km² (INAFED, 2009), mientras que en Tehuantepec fue de 13 000 km² (López et al., 2009), y en España de 110 000 km² (Revilla et al., 1998).

Relaciones filogenéticas

En la Figura 1 se observa que los cinco grupos de poblaciones nativas se alejaron como una rama separada de los testigos raciales utilizados, excepto de Chalqueño, testigo al cual quedaron unidas de manera cercana, implicando que el conjunto de poblaciones nativas se derivó de tal raza (Wellhausen et al., 1951), pero que en la actualidad ya se ha presentado una divergencia importante respecto a la misma, particularmente a frecuencias alélicas de isoenzimas, debido posiblemente al flujo génico (Pressoir y Berthaud, 2004).

La ubicación del resto de los testigos en la parte basal del filograma puede explicarse por la mayor antigüedad de algunas razas: Palomero Toluqueño se considera como una raza Indígena Antigua, Cónico como una raza Mestiza Precolombina y Cónico Norteño como una raza Moderna Incipiente (Wellhausen et al., 1951), lo que da como resultado el que tengan combinaciones alélicas diferentes a las que presentan las poblaciones nativas de la región centro-oriente del estado de Puebla.

 

CONCLUSIONES

Los grupos de poblaciones nativas de maíz de los Llanos de Serdán, Puebla presentaron diferencias en frecuencias alélicas de isoenzimas, principalmente en los loci Acp1, Est8, Got3, Glu1, Idh2 y Mdh5, los cuales contribuyeron en mayor medida a la separación de los grupos y se caracterizaron por presentar un bajo número de alelos por locus (2.8), un bajo porcentaje de alelos raros (13%), polimorfismo de 89% y heterocigosidad esperada de 0.27; parámetros comparables con los de otras regiones de nuestro país.

Los parámetros de diversidad genética permitieron establecer que los grupos de poblaciones nativas presentaron una diferenciación genética moderada, con variación isoenzimática contenida en 91.5% dentro de grupos y 8.5 % entre grupos.

Se evidenció divergencia de las poblaciones nativas con respecto a los testigos raciales utilizados, excepto Chalqueño, el cual presentó mayor similitud en frecuencias alélicas, indicando que las poblaciones nativas de maíz de la región de estudio tienen mayor afinidad genética con la raza de maíz Chalqueño.

 

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