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文檔簡介
1、油菜素甾醇類物質(zhì)的生理作用及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)摘要 近年來,人們研究發(fā)現(xiàn)植物細(xì)胞中存在甾醇類激素,其在植物的生長發(fā)育過程中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用,并發(fā)現(xiàn)了膜受體復(fù)合物的重要組成部分BRI1 和通過膜受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,使得油菜素鑿醇類信號從膜上被感知一直到在核內(nèi)誘導(dǎo)特異基因表達(dá)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑有了一個(gè)基本的輪廓。關(guān)鍵詞 植物 油菜素甾醇類BRs 生理作用 調(diào)控 信號轉(zhuǎn)導(dǎo) BRI1油菜素甾醇類化合物(Brassinosteroids,BRs) 是指與油菜素內(nèi)酯(brassinolide,BL)有類似的結(jié)構(gòu)與功能的甾醇類植物激素,BRs被證明是一類植物生長不可缺少的植物激素,存在于植物的花粉、種子、葉片、根
2、、莖和花冠中。研究表明,花粉、未成熟的種子及根可能是BRs的生物合成位點(diǎn)。在植物體內(nèi), BR的活性水平在BR生物合成、代謝及去活化等層次上受到精細(xì)調(diào)控。在天然BRs中,BL的生物活性最強(qiáng),被認(rèn)為是植物體內(nèi)起作用的BR的活性形式1。BR的生物合成呈代謝網(wǎng)格狀(metabolicgrid),其生物合成酶受到終產(chǎn)物和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的一些中間組分的反饋抑制2。從BR信號的產(chǎn)生,包括BR的合成、活性與水平的調(diào)節(jié)及運(yùn)輸, 到與膜受體結(jié)合引起信號的感知和傳遞,并最終引起B(yǎng)R誘導(dǎo)基因的表達(dá)和特定的生理反應(yīng), 是一個(gè)連續(xù)且相互影響的過程,并且每一個(gè)環(huán)節(jié)都受到多種內(nèi)外因子在多個(gè)層次上的調(diào)節(jié),BR信號從細(xì)胞膜向細(xì)胞核傳導(dǎo)
3、的途徑已基本清晰3。(方歡歡)1油菜甾醇類的生理作用與傳統(tǒng)的5大類植物激素相比,其作用機(jī)理獨(dú)特、生理效應(yīng)廣泛、生理活性極高,其用量僅是5大激素的千分之一。BRs能增加植物對冷害、凍害、病害、除草劑及鹽害等的抗性,協(xié)調(diào)植物體內(nèi)多種內(nèi)源激素的相對水平,改變組織細(xì)胞化學(xué)成分的含量,激發(fā)酶(包括RNA與DNA多聚酶、ACC合成酶、ATP酶等)的活性,影響基因表達(dá),促進(jìn)蛆、RNA和蛋白質(zhì)合成,促進(jìn)細(xì)胞分裂和伸長,增加植物生長發(fā)育速度,參與光信號調(diào)節(jié),影響光周期反應(yīng),提高作物產(chǎn)量及種子活力,減少果實(shí)的敗育和脫落等4。(方歡歡)BR主要用于增加農(nóng)作物產(chǎn)量,減輕環(huán)境脅迫,有些也可用于插枝生根和花卉保鮮。隨著對
4、BR研究的深入和成本低的人工合成類似物的出現(xiàn),BR在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用必將越來越廣泛5。糧、棉、油、蔬菜、茶、桑、瓜果、花卉和樹木等均可使用,而且增產(chǎn)幅度大、產(chǎn)品質(zhì)量好,無毒副作用。在蔬菜上應(yīng)用除提高葉菜類產(chǎn)量外,還可?;?、保果、增大果實(shí)和改善品質(zhì)等4。油菜甾醇類具體的的生理作用如下:(方歡歡)調(diào)節(jié)營養(yǎng)器官的生長 適宜濃度的BRs能促進(jìn)許多植物的幼莖伸長,其促伸長活性是生長素的100倍乃至1000倍,菜豆的第二節(jié)間表現(xiàn)尤為明顯。BRs還能促進(jìn)豌豆下胚軸,綠豆下胚軸,黃瓜下胚軸,單子葉植物的胚芽鞘伸長低濃度BRs(0.1nmolL)則能促進(jìn)擬南芥根生長,而高濃度24-epiBL抑制擬南芥跟的生長,
5、Brs明顯抑制小麥、綠豆和玉米的側(cè)根生長1。(方歡歡)促進(jìn)種子發(fā)芽 BRs能促進(jìn)煙草、沙棘、紫穗槐、獨(dú)腳金、三葉草和列當(dāng)種子的發(fā)芽速率。蘿卜種子萌發(fā)期間,油菜甾醇酮水平下降,而BL水平增加,這表明BL在種子的正常萌發(fā)中發(fā)揮作用。用BL浸泡水稻種子可以提高種子活力,促進(jìn)水稻早生快發(fā),培育壯苗,促進(jìn)有效分蘗1。(方歡歡)影響維管束分化 BRs與其他植物激素(生長素、細(xì)胞分裂素)協(xié)同調(diào)控維管束發(fā)育。BRs能加速向日葵外植體的管胞分化。BL生物合成抑制劑能抑制百日草細(xì)胞培養(yǎng)中的木質(zhì)部分化,此現(xiàn)象能為外源BL所解除。這進(jìn)一步說明BRs促進(jìn)木質(zhì)部分化1。(方歡歡)調(diào)節(jié)生殖生長 育性降低或雄性不育是BR缺失
6、或不敏感突變體的一個(gè)共同特征。近期的證據(jù)表明,BRs促進(jìn)成花是通過降低一個(gè)成花抑制子FLC(flowering locus C)的轉(zhuǎn)錄水平來實(shí)現(xiàn)的。Hewitt等(1985)發(fā)現(xiàn)納摩爾水平的BL能促進(jìn)花粉管伸長。BL處理使擬南芥和芥菜發(fā)生獨(dú)雌生殖,產(chǎn)生單倍體種子。擬南芥中cpd突變體因其花粉管不能伸長而雄性不育,當(dāng)供給BRs時(shí),則能結(jié)實(shí)。Asakawa等(1996)認(rèn)為隨著花粉發(fā)育,伴隨著游離態(tài)BRs的增加,結(jié)合態(tài)BR前體水平下降。外源BR處理能改善結(jié)實(shí)和種子充實(shí),并能推遲果實(shí)脫落。未成熟種子中相對富含BRs,它們可能通過誘導(dǎo)產(chǎn)生木葡聚糖內(nèi)轉(zhuǎn)糖基酶而參與果實(shí)成熟1。(陳麗潔)參與向重力性和光形
7、態(tài)建成 外援施用BL(10-910-5mol/L)增強(qiáng)玉米和擬南芥根的向重力彎曲。BP生物合成突變體det2卻表現(xiàn)出延遲的向重力性反應(yīng),而BR不敏感突變體bri1有正常的向性反應(yīng),這表明BR含量在促進(jìn)植物向性響應(yīng)中起關(guān)鍵作用。呂冰(2000)發(fā)現(xiàn)24-epiBL(1mgL-1)能促進(jìn)“拋秧稻”幼苗莖的負(fù)向重力性反應(yīng),進(jìn)而促進(jìn)立苗1。BRs在高等植物光形態(tài)建成中可以起到負(fù)調(diào)控因子的作用。早期研究正式BL可以解除紅光對綠豆下胚軸伸長的顯著抑制,遠(yuǎn)紅光對此伸長無影響,這表明BRs與光敏色素信號系統(tǒng)可能有互作,也暗示BRs可能有助于維持植物的黃化狀態(tài)1。(陳麗潔)參與光合作用調(diào)節(jié) BR可促進(jìn)小麥葉Ru
8、BP羧化酶的活性,因此可提高光合速率。BR處理花生幼苗后9天,葉綠素含量比對照高1012,光合速率加快155。BR在小麥、水稻等作物中發(fā)現(xiàn),油菜素內(nèi)醋對葉片的光合作用強(qiáng)度有一定的促進(jìn)效果,但對植株的總干物重并無明顯影響。卻對植株干重的分配有著明顯的影響。在菜豆試驗(yàn)中,幼苗地上部干物重的分配:油菜素內(nèi)酯處理節(jié)間干重增加4%,處理部分以下節(jié)間干重增加11-16%外,處理節(jié)間以上部分干重減少15-20%,側(cè)枝干重也有明顯增加6。(陳麗潔)促進(jìn)生根 格雷戈里(Gregory)等用0.0001 ppm表油菜素內(nèi)酯對大豆下胚軸切段處理8小時(shí),能刺激其產(chǎn)生不定根,但在高濃度下卻抑制根的產(chǎn)生和生長,即油菜素甾
9、醇類對根的作用與濃度有密切的關(guān)系6。(陳麗潔)保鮮作用 趙毓橘等人研究發(fā)現(xiàn),表油菜素內(nèi)酯對綠豆下胚軸有保幼延衰作用。表油菜素內(nèi)酯處理5天的綠豆離體下胚軸切段細(xì)胞內(nèi),仍保持著完整的細(xì)胞器結(jié)構(gòu),而對照的細(xì)胞器已崩潰破壞殆盡6。(陳麗潔)其他生理作用 BRs也能促進(jìn)整株植物的不對稱生長(asymmetric growth),如水稻葉片傾斜;納摩爾水平的BRs處理蘿卜根,會引起幼苗子葉柄和下下胚軸的彎曲伸長;BRs也能誘導(dǎo)番茄葉片和葉柄的偏上生長。1BRs促進(jìn)菜豆植物細(xì)胞分裂和木髓細(xì)胞分裂。促進(jìn)蘿卜子葉擴(kuò)大時(shí),BRs與細(xì)胞分裂素有加成效應(yīng)。1BRs能促進(jìn)同化產(chǎn)物運(yùn)輸和再分配。用14C標(biāo)記蔗糖飼喂水稻和
10、蠶豆的實(shí)驗(yàn)表明,BR能促進(jìn)同化產(chǎn)物從源葉到庫區(qū)的分配,促進(jìn)葉片對蔗糖的吸收。1BRs能提高植物對干旱、冷害、重金屬、除草劑傷害、鹽脅迫和真菌浸染等逆境的抗性,如BL浸泡稻種和2葉期噴施都可以提高水稻抗寒性及產(chǎn)量。用BL噴施葉片,可減輕或防止水稻紋枯病,黃瓜灰霉病,白菜軟腐病,番茄晚疫病1。水稻幼苗在低溫陰雨條件下生長,若用10-4mgL BR溶液浸根24h,則株高、葉數(shù)、葉面積、分蘗數(shù)、根數(shù)都比對照高,且幼苗成活率高、地上部干重顯著增多。此外,BR也可使水稻、茄子、黃瓜幼苗等抗低溫能力增強(qiáng)5。因此有人將其稱為“逆境緩和激素” 5。(陳麗潔)2油菜素甾醇類的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑BRs在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控諸多
11、酶和蛋白質(zhì)的表達(dá),它們涉及:1.細(xì)胞壁松弛,如TCH4;2.細(xì)胞分裂,如細(xì)胞周期素D3(CycD3);3.糖類代謝;4.乙烯和茉莉酸生物合成。BRI1是一個(gè)定位于細(xì)胞膜上的含有25個(gè)富含亮氨酸重復(fù)片段(leucine-rich repeat,LRR)的絲氨酸/蘇氨酸型受體樣激素(LRR-RLK),LRR內(nèi)含一個(gè)具油菜素內(nèi)酯(BL)結(jié)合能力的島狀域,BL能以相當(dāng)高的專一性直接結(jié)合到BRI1受體的“島”區(qū)域,證明了BRI1是BR的受體。1。(胡琪)然而,BRI1并不是唯一的BR受體。擬南芥中有3個(gè)很接近于BRI1的同源蛋白,其中至少2個(gè)BRL1和BRL3能高親和地結(jié)合BR。并且,以BRI1啟動子表
12、達(dá)這兩個(gè)蛋白后,能挽救bri1突變體的表型1。這些BRI1同源蛋白似乎能介導(dǎo)維管組織中細(xì)胞類型特異(cell-type-specific)的BR反應(yīng)7。(胡琪)BAK1也屬于RLKs家族中的SERK亞家族(SERK1-SERK5)。除了BAK1(SERK3),2個(gè)SERK家族的其他成員SERK1和BKK1(BAK1-like 1,SERK4)似乎在BR信號中起著和BAK1冗余的作用。和BAK1一樣,過表達(dá)SERK1或BKK1都能部分抑制bri1-5的表型;體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中,它們也能與BRI1相互作用8。雖然bak1功能確實(shí)單突變只有比較弱的矮化表型,但bak1 serk1-1雙突變的BR不敏感的矮化
13、表型顯著增強(qiáng),bak1-4 bkk1-1雙突變和bak1單突變相比,只有去黃化輕微增強(qiáng)的表型。最近有人提出,SERK1和BAK1/SERK3一起,而不是和BKK1/SERK4一起,介導(dǎo)對BR的響應(yīng)8。然而,bak1 serk1雙突變體的表型仍然比bri1強(qiáng)突變體和表達(dá)顯性抑制形式bak1的轉(zhuǎn)基因植株的表型弱得多9。加上BAK1和BKK1在抑制細(xì)胞死亡的信號通路中的作用,分析起來會更加復(fù)雜。(胡琪)在擬南芥中,BR處理能促進(jìn)BRI1和BAK1的相互作用并增加它們的磷酸化水平10。BR誘導(dǎo)的BRI1-BAK1結(jié)合似乎是由它們的激酶結(jié)構(gòu)域介導(dǎo),而不是胞外域的共同結(jié)合。首先,BR結(jié)合BRI1并不依賴于
14、BAK1,BAK1也不參與BR與BRI1的結(jié)合,在bak1無義突變體和BAK1過表達(dá)的植株中,BL結(jié)合BRI1的活性都沒有發(fā)生變化。其次,BRI1與BAK1的相互作用依賴于它們的激酶活性。將BAK1的激酶結(jié)構(gòu)域突變后,體外相互作用減弱;BRI1的激酶結(jié)構(gòu)域突變?yōu)闆]有激酶活性形式后,它們的相互作用幾乎完全消失9。一個(gè)BRI1激酶活性喪失(kinase-dead)的突變體不能表現(xiàn)出BR誘導(dǎo)的與BAK1的結(jié)合,這暗示對于BR誘導(dǎo)的BRI1與BAK1的結(jié)合,完整的胞外域并不是充分條件,而BRI1激酶活性卻是必要條件10。然而,酵母中BAK1胞外域亮氨酸拉鏈中的L46E突變似乎丟失了BAK1與BRI1的
15、結(jié)合。雖然這個(gè)結(jié)果可能支持了胞外域在BRI1-BAK1結(jié)合中的作用,但缺乏與BRI1的相互作用也可能是由于突變BAK1蛋白的定位錯(cuò)誤(如滯留在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中)或在細(xì)胞中的不穩(wěn)定性。另一方面,一個(gè)BAK1激酶活性喪失的突變體在BR處理后仍能與野生型BRI1結(jié)合,這暗示BR首先激活BRI1激酶,BAK1與BRI1的結(jié)合是第一步BRI1激酶激活的結(jié)果10。BRI1激酶活性的對于與BAK1相互作用和BAK1的激活的必要性也與一個(gè)觀察到的現(xiàn)象一致,即BAK1過表達(dá)只能抑制bri1弱突變的表型,而不能抑制bri1-5 det2雙突變和bri1無義突變的表型9。以上這些結(jié)果顯示,BAK1參與BRI1的激活,不參與
16、將BR信號傳遞到下游物質(zhì)。(胡琪)完整的BR信號通路闡明了通路前后的分子事件:BR結(jié)合到細(xì)胞表面的BRI1,BRI1激酶通過與共受體BAK1的配體誘導(dǎo)契合和相互磷酸化、BKI1的解離而被激活,BRI1繼而磷酸化BSK1,接著激活BSU1,使得BIN2由于BSU1催化其Tyr的去磷酸化而被抑制,引起去磷酸化BZR的核內(nèi)累積和BR應(yīng)答基因的表達(dá)。(胡琪)3、不依賴于BRI1的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑目前,關(guān)于BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究大部分集中在以BRI 1為受體的BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,而且BR誘導(dǎo)的很多基因都與細(xì)胞伸長有關(guān),但關(guān)于BR對細(xì)胞分裂的影響則報(bào)道較少.在擬南芥中,BR在黑暗條件下能誘導(dǎo)一種細(xì)胞周期依賴性激酶相
17、關(guān)基因CDC2b的表達(dá)。(李函洋)但奇怪的是,這一基因主要在下胚軸的伸長中發(fā)揮作用,而不是與細(xì)胞周期的控制有關(guān).李家洋實(shí)驗(yàn)室首次報(bào)道了BR在細(xì)胞分裂中的功能及相應(yīng)的BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑.他們在擬南芥det2(BR生物合成突變體)懸浮培養(yǎng)細(xì)胞中發(fā)現(xiàn),BL(epi-brassinolide,epi-BL)能上調(diào)一種D型植物細(xì)胞周期蛋白基因偽cD3的轉(zhuǎn)錄.通常條件下,細(xì)胞分裂素(cytokinin,CTK)通過活化CycD3而促進(jìn)細(xì)胞分裂,epi-BL也能通過CycD3而促進(jìn)細(xì)胞分裂,并且在擬南芥的愈傷組織和懸浮細(xì)胞中能替代CTK而發(fā)揮作用.但BR和CTK誘導(dǎo)cycD3轉(zhuǎn)錄的機(jī)理不同,CTK對CycD3
18、的誘導(dǎo)作用涉及蛋白質(zhì)的磷酸化和去磷酸化作用,卻不需合成新的蛋白質(zhì);然而,BR誘導(dǎo)CycD3的過程不涉及蛋白質(zhì)的磷酸化和去磷酸化作用,卻需要合成新的蛋白質(zhì).在BRI 1介導(dǎo)的BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中,磷酸化和去磷酸化作用是BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)反應(yīng)中的一部分。(李函洋)從這個(gè)角度上,BR誘導(dǎo)的CycD3轉(zhuǎn)錄途徑顯然與BRI 1途徑不協(xié)調(diào).同時(shí),在bril突變體中,BR對CycD3的誘導(dǎo)仍然能發(fā)生,說明在植物中可能存在另一種不依賴于BRI1的BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。(李函洋)可以推測,CycD3介導(dǎo)的BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑很可能屬于這一類,當(dāng)然這還需要更多的實(shí)驗(yàn)證據(jù)來證實(shí).制的基因,如一些編碼轉(zhuǎn)錄因子的基因和編碼BR生物
19、合成酶的基因11 .由于BR誘導(dǎo)基因在表達(dá)量上變化較小,在25倍的變化幅度內(nèi)12,而且BR反應(yīng)元件在功能上存在冗余,使得BR反應(yīng)元件的鑒定和BR調(diào)節(jié)基因表達(dá)機(jī)理的研究較難.TCH4是惟一一個(gè)BR反應(yīng)元件得到研究的BR誘導(dǎo)基因.研究證實(shí),各種刺激誘導(dǎo)下TCH4的表達(dá)都與啟動子區(qū)域的同一個(gè)102 by的片段有關(guān)13,該片段中存在一種共同的順式元件,用以控制包括BR在內(nèi)的不同信號刺激下TCH4的表達(dá)調(diào)控,(李函洋)4、 BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的末端元件BR對基因表達(dá)的調(diào)控 許多信號分子對植物生長發(fā)育的影響主要是通過調(diào)節(jié)基因表達(dá)實(shí)現(xiàn)的,BR也不例外.迄今為止,已經(jīng)鑒定到許多受BR調(diào)節(jié)的基因,其中研究得最深人的是
20、木葡聚糖內(nèi)轉(zhuǎn)糖基酶(xyloglucan endotransglyco-sylase, XET)基因,如大豆中的BR Ul就是一種功能性XET基因,在BR刺激的莖伸長中發(fā)揮作用14此外,在擬南芥、水稻、番茄中也發(fā)現(xiàn)了類似的XET基因.擬南芥中TCH4基因的表達(dá)不僅受到BR的調(diào)節(jié),而且還受到生長素和一些環(huán)境刺激,如接觸、黑暗和溫度等的調(diào)節(jié)15, BR對BR UI和TCH4表達(dá)的調(diào)節(jié)分別發(fā)生在轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平上13, BR還能通過調(diào)節(jié)微管基因表達(dá)來影響細(xì)胞的伸長16此外,BRs還能參與碳水化合物代謝的調(diào)節(jié),促進(jìn)細(xì)胞分裂和維管組織的分化,與這些胞內(nèi)過程相關(guān)的BR調(diào)節(jié)基因也已經(jīng)鑒定到17。(李函洋)
21、大部分BR誘導(dǎo)基因是通過傳統(tǒng)的方法鑒定得到的,所以總的數(shù)量非常有限.近年來,借助DNA芯片技術(shù),同時(shí)比較BR處理植株和對照之間以及BR突變體和野生型植株的基因表達(dá),研究人員篩選到大量受BR調(diào)節(jié)的基因11. DNA芯片技術(shù)鑒定的BR誘導(dǎo)基因包括編碼轉(zhuǎn)錄因子和BAST的基因、編碼細(xì)胞壁相關(guān)蛋白的基因以及一些和生長素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)的基因.。(李函洋)5 BR與其他信號的相互作用由于植物細(xì)胞內(nèi)存在復(fù)雜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)體系(networks),了解不同信號之間的相互作用對于我們理解這一復(fù)雜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)體系越來越重要,因而這一研究成為信號轉(zhuǎn)導(dǎo)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn). BR與光信號之間的相互作用研究近年來取得較大進(jìn)展
22、,已發(fā)現(xiàn)BR與光信號之間的相互作用發(fā)生在多個(gè)層次上.BR與光信號之間相互作用的重要證據(jù)來自對BR突變體的研究,BR合成突變體det2的表型為去黃化,表現(xiàn)為暗中生長的幼苗胚軸縮短、子葉張開,而導(dǎo)致這種表型的原因是這種突變在暗中誘導(dǎo)了部分光控基因的表達(dá)18。(李函洋)此外,BR信號和光信號還通過BAS 1相互作用,BAS 1通過C26-經(jīng)化活性調(diào)節(jié)BR水平和光反應(yīng)fab.而一種暗誘導(dǎo)的小G蛋白Prat可能調(diào)節(jié)光和BR信號在黃化過程中的相互作用。(李函洋)反之,光也能調(diào)節(jié)BR的生物合成和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程,BR生物合成的一些關(guān)鍵酶基因(如C尸刀和D基因等)表達(dá)受光的調(diào)節(jié).BR信號的正向調(diào)節(jié)因子BZR1具有
23、調(diào)節(jié)下游生長反應(yīng)和BR生物合成的反饋抑制的雙重作用,而且這種作用依賴于光信號.在黑暗條件下,BZR1對BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的正向調(diào)節(jié)作用占優(yōu)勢;而在光照條件下,它對BR生物合成的反饋抑制占優(yōu)勢.因此,BZRI基因可能是光和BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑相互作用中的一個(gè)調(diào)節(jié)點(diǎn)。(李函洋)(李函洋)1 李合生.現(xiàn)代植物生理學(xué)(第三版)油菜素甾醇類M.高等教育出版社,2012.6 248-2512 Bishop G,Nomur T,Yokota T,etal,The tomato DWARF enzyme catalyses C-6 oxidation in Brassinosteroid biosynthesis.Pr
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