葉維雁++吳海波++劉惠民++熊智++王櫻潼
摘要:用平板涂布、劃線與固體平板-透明圈法從番木瓜根際土壤中篩選出2株解磷解鉀細(xì)菌(PK-1、PK-2)。通過搖瓶培養(yǎng),測(cè)定PK-1、PK-2發(fā)酵液中水溶性磷、水溶性鉀含量和磷、鉀總量;分析PK-1、PK-2解磷解鉀能力;對(duì)PK-1、PK-2進(jìn)行分子鑒定。結(jié)果表明,PK-1溶解無(wú)機(jī)磷能力的溶量為1.63 μg/mL,PK-2溶量為 17.26 μg/mL,溶解無(wú)機(jī)磷能力表現(xiàn)為PK-1﹤PK-2,即PK-2具有更強(qiáng)的解無(wú)機(jī)磷能力;PK-1溶解有機(jī)磷能力的溶量為 8.49 μg/mL,PK-2溶量為2.38 μg/mL,溶解有機(jī)磷能力表現(xiàn)為PK-1>PK-2,即PK-1的解有機(jī)磷能力更好;PK-1溶解鉀能力的溶量為8.15 μg/mL,PK-2溶量為8.49 μg/mL,溶解鉀能力表現(xiàn)為PK-1﹤PK-2,PK-1 和PK-2的解鉀能力接近。經(jīng)16S rDNA序列分析,初步鑒定PK-1為腸桿菌屬(Enterobacter),PK-2為芽孢桿菌屬(Bacillus)。供試菌株P(guān)K-1和PK-2具有良好的解磷解鉀功能,可為進(jìn)一步研制專用的番木瓜微生物肥料提供菌種資源和依據(jù)。
關(guān)鍵詞:番木瓜;根際促生菌;解磷;解鉀;鑒定;腸桿菌層;芽孢桿菌屬
中圖分類號(hào): S182文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A文章編號(hào):1002-1302(2017)06-0247-04
植物根際促生菌(plant growth promoting rhizobacteria,簡(jiǎn)稱PGPR)指生存于植物根際系統(tǒng),并能促進(jìn)或調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)的一類微生物,通常具有固氮、溶磷、解鉀、產(chǎn)生植物激素、分泌抗生素等生理活性[1-4]。目前,研究比較多的是PGPR的解磷、解鉀、固氮功能。磷和鉀是植物生長(zhǎng)必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素,而我國(guó)土壤中可供植物直接吸收利用的磷、鉀資源有限,在生產(chǎn)實(shí)踐中,為了提高作物產(chǎn)量,每年都要向土壤中施入大量的可溶性磷肥和鉀肥,造成土壤板結(jié)、地力下降、環(huán)境污染、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降等問題[5]。PGPR在其生命活動(dòng)過程中通常能將土壤礦物質(zhì)中難以被植物吸收的磷、鉀釋放出來(lái),轉(zhuǎn)化成易溶性的養(yǎng)分,提升有效磷、有效鉀的供應(yīng)水平,促進(jìn)植物生長(zhǎng)。隨著人們環(huán)保意識(shí)的日益提高,應(yīng)用PGPR的解磷解鉀能力促進(jìn)植物生長(zhǎng)及提高其產(chǎn)量越來(lái)越受到關(guān)注,PGPR作為一種寶貴的資源逐漸成為研究熱點(diǎn)[6]。番木瓜(Carica papaya L.)是熱帶、亞熱帶地區(qū)廣泛栽培的多年生常綠大型草本植物,別稱萬(wàn)壽果、木瓜,果實(shí)含有豐富的糖類、胡蘿卜素、木瓜酶,富含鈣、磷、鉀等礦物質(zhì),還具有清除自由基、增強(qiáng)人體免疫力、抗病原體等保健作用[7-8]。目前,PGPR解磷解鉀作用在許多作物上的應(yīng)用已得到諸多報(bào)道,但在番木瓜上的應(yīng)用卻鮮有報(bào)道。因此,開展番木瓜PGPR菌株解磷解鉀能力的研究,對(duì)研制新型微生物肥料以提高番木瓜的產(chǎn)量和質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
本研究從番木瓜根際土壤中篩選出2株P(guān)GPR,并對(duì)其解磷解鉀作用進(jìn)行分析,旨在為進(jìn)一步研究番木瓜PGPR的生態(tài)適應(yīng)性,研制番木瓜的微生物肥料提供理論依據(jù)。
1材料與方法
1.1儀器與試劑
所用儀器主要有超凈工作臺(tái)、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、立式壓力蒸汽滅菌器、恒溫培養(yǎng)振蕩器、原子吸收分光光度計(jì)、紫外-可見分光光度計(jì)、高速冷凍離心機(jī)、電子分析天平、純水機(jī)、恒溫水浴鍋、多功能梯度PCR儀、電泳儀、凝膠成像儀、微波爐、乙醇燈、1 L移液器;所用試劑主要有瓊脂、瓊脂糖、蛋白胨、酵母浸出汁、牛肉膏、氯化鈉、葡萄糖、2×Taq PCR MasterMix。
1.2土樣
采自云南省西雙版納州普文鎮(zhèn)的番木瓜地,土壤系番木瓜的根際土壤。
1.3培養(yǎng)基
1.3.1菌株分離純化培養(yǎng)基菌株的分離純化采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基(NA)。
1.3.2解無(wú)機(jī)磷培養(yǎng)基(1)解無(wú)機(jī)磷固體培養(yǎng)基:葡萄糖1000 g,Ca3(PO4)2 5.00 g,MgCl2 5.00 g,MgSO4·7H2O 0.25 g,KCl 0.20 g,(NH4)2SO4 0.10 g,瓊脂15.00 g,溶于去離子水中,加熱溶化,混勻,加去離子水定容至1 L,調(diào)pH值為7.4,分裝于250 mL錐形瓶中,121 ℃滅菌20 min,分裝。(2)解無(wú)機(jī)磷液體培養(yǎng)基:除缺少瓊脂外,其他物質(zhì)含量與解無(wú)機(jī)磷固體培養(yǎng)基相同。
1.3.3解有機(jī)磷培養(yǎng)基解有機(jī)磷固體培養(yǎng)基:
(1)蒙金娜基礎(chǔ)培養(yǎng)基。葡萄糖10.00 g、(NH4)2SO4 050 g、MgSO4·7H2O 0.30 g、NaCl 0.30 g、KCl 0.30 g、FeSO4·7H2O 0.36 g、MnSO4·H2O 0.03 g、CaCO3 500 g、瓊脂15.00 g,溶于去離子水中,加熱溶化,混勻,加去離子水定容至1.00 L,調(diào)pH值至7.4,分裝于250 mL錐形瓶中,121 ℃ 滅菌20 min,分裝。
(2)卵黃稀釋液。用乙醇擦凈雞蛋外殼,用解剖刀切破雞蛋兩端,流去蛋清后將蛋黃流入已滅菌的錐形瓶中,約加入等量的無(wú)菌水,搖勻。
(3)將蒙金娜基礎(chǔ)培養(yǎng)基熔化,冷卻至50 ℃后,立即加入卵黃液,每100 mL基礎(chǔ)培養(yǎng)基加卵黃稀釋液3~4 mL作為有機(jī)磷源,混勻后分裝于培養(yǎng)皿內(nèi)凝成平板。
解有機(jī)磷液體培養(yǎng)基:除缺少瓊脂外,其他物質(zhì)含量與解有機(jī)磷固體培養(yǎng)基相同。
1.3.4解鉀培養(yǎng)基(1)解鉀固體培養(yǎng)基:蔗糖10.0 g,酵母膏0.5 g,(NH4)2SO4 1.0 g,Na2HPO4 2.0 g,MgSO4·7H2O 0.5 g,CaCO3 1.0 g,鉀長(zhǎng)石粉10.0 g,瓊脂15.0 g,溶于去離子水中,加熱溶化,混勻,加去離子水定容至1.0 L,調(diào)pH值至7.4,分裝于250 mL錐形瓶中,121 ℃滅菌20 min,分裝。(2)解鉀液體培養(yǎng)基:除缺少瓊脂外,其他物質(zhì)含量與解鉀固體培養(yǎng)基相同。
1.4分離及純化菌株
取番木瓜根,用無(wú)菌去離子水輕柔沖洗,以去除外圍土壤,用刷子刷取番木瓜根際土1 g,加入裝有100 mL無(wú)菌去離子水和若干玻璃珠的錐形瓶中,150 r/min混合30 min,使根際土壤中的微生物細(xì)胞充分分散,制作根際土混合液。將根際土混合液梯度稀釋后,分別從10-2、10-3、10-4、10-5、10-6稀釋度中吸取100 μL稀釋液涂布于NA固體培養(yǎng)基上,設(shè)3個(gè)重復(fù)。于37 ℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng),根據(jù)菌落顏色、形狀、大小等特征,觀察并挑取不同的單菌落在NA培養(yǎng)基上劃線純化,連續(xù)3~5次劃線,獲取純化的菌株,4 ℃斜面保存,備用。
1.5解磷能力的測(cè)定
1.5.1解磷能力的平板測(cè)定(1)解無(wú)機(jī)磷:將活化好的菌株點(diǎn)接于解無(wú)機(jī)磷固體培養(yǎng)基平板上,于37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)7 d,觀察透明圈的產(chǎn)生情況,并測(cè)量透明圈直徑(D)和菌落直徑(d),根據(jù)D/d值大小確定解無(wú)機(jī)磷能力的大小[9]。 (2)解有機(jī)磷:與解無(wú)機(jī)磷能力平板測(cè)定方法相同。
1.5.2解磷能力的搖瓶測(cè)定解無(wú)機(jī)磷:(1)種子液制備。菌株經(jīng)平板劃線活化后,挑取1環(huán)接入40 mL NA液體培養(yǎng)基中,以不接菌的NA培養(yǎng)基為對(duì)照,37 ℃、150 r/min恒溫?fù)u床培養(yǎng)2~4 d,制備菌液。用分光光度計(jì)測(cè)定各菌液的吸光度(600 nm),最后用無(wú)菌去離子水將各菌液稀釋成相同吸光度作為種子液。(2)發(fā)酵液制備。按40 mL解無(wú)機(jī)磷液體培養(yǎng)基接入1 mL種子液接入菌種,同時(shí)接入(1)中的NA培養(yǎng)基 1 mL 作為對(duì)照,發(fā)酵液及對(duì)照在37 ℃、150 r/min條件下培養(yǎng)7 d。(3)發(fā)酵液處理。發(fā)酵液在冷凍離心機(jī)下以 8 000 r/min 的轉(zhuǎn)速離心15 min后取上清液2 mL移至50 mL容量瓶中,用鉬銻抗比色法[10]測(cè)定發(fā)酵液中可溶性磷含量。細(xì)菌溶解無(wú)機(jī)磷的量=發(fā)酵液可溶性磷含量-對(duì)照培養(yǎng)液可溶性磷含量。
發(fā)酵液靜置30 min,磷酸鈣沉底后,移取2 mL上清液至50 mL錐形瓶中,加H2O2溶液0.5 mL,微波爐加熱消解,沸騰后改用小火維持,濃縮至1~2 mL后關(guān)閉微波爐用余熱將溶液蒸干,以除掉過量的H2O2溶液,冷卻,用5 mL去離子水沖洗錐形瓶?jī)?nèi)壁,加濃硫酸2滴(約0.1 mL),搖勻后小心轉(zhuǎn)動(dòng)錐形瓶,使酸液同內(nèi)壁接觸,然后加熱1~2 min,使殘?jiān)芙?,溶液?~4 mL并冷卻后,轉(zhuǎn)入50 mL容量瓶中,用去離子水定容至50 mL作為待測(cè)液。按上述步驟處理對(duì)照。待測(cè)液8 000 r/min離心15 min,取上清液,用鉬銻抗比色法測(cè)定發(fā)酵液中全磷含量。
解有機(jī)磷:與解無(wú)機(jī)磷能力的搖瓶測(cè)定方法相同。
細(xì)菌溶解有機(jī)磷的量=發(fā)酵液可溶性磷含量-對(duì)照培養(yǎng)液可溶性磷含量。
1.6解鉀能力的測(cè)定
1.6.1解鉀能力的平板測(cè)定將活化好的菌株點(diǎn)接于解鉀固體培養(yǎng)基平板上,于37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)7 d,觀察透明圈的產(chǎn)生情況,并測(cè)量透明圈直徑(D)和菌落直徑(d),根據(jù)D/d值大小確定菌株的解鉀能力。
1.6.2解鉀能力的搖瓶測(cè)定(1)種子液制備。菌種經(jīng)平板劃線活化后,挑取1環(huán)接入40 mL NA培養(yǎng)基中,以不接菌的NA培養(yǎng)基為對(duì)照,37 ℃、150 r/min恒溫?fù)u床培養(yǎng)2~4 d,制備菌液。用分光光度計(jì)測(cè)定各菌液的吸光度(600 nm),最后用無(wú)菌去離子水將各菌液稀釋成相同吸光度為種子液。(2)發(fā)酵液制備。按35 mL解鉀液體培養(yǎng)基接入1 mL種子液接入菌種,同時(shí)接入(1)中的NA培養(yǎng)基1 mL作為對(duì)照,發(fā)酵液及對(duì)照在37 ℃、150 r/min條件下培養(yǎng)7 d。(3)發(fā)酵液處理。發(fā)酵液在冷凍離心機(jī)下以8 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心 8 min,取上清液5 mL用去離子水稀釋8倍,使用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定有效鉀濃度。
細(xì)菌溶解鉀的量=發(fā)酵液可溶性鉀含量-對(duì)照培養(yǎng)液可溶性鉀含量。
發(fā)酵液靜置30 min,鉀長(zhǎng)石粉沉底后,移取5 mL上清液至50 mL錐形瓶中,加H2O2 溶液1.5 mL,微波爐加熱消解,沸騰后改用小火維持,濃縮至3 mL后關(guān)閉微波爐用余熱將溶液蒸干,以除掉過量的H2O2溶液,冷卻,用15 mL去離子水沖洗錐形瓶?jī)?nèi)壁,加濃硫酸5滴(約0.25 mL),搖勻后小心轉(zhuǎn)動(dòng)錐形瓶,使酸液同內(nèi)壁接觸,然后加熱1~2 min,使殘?jiān)芙猓芤菏?~8 mL并冷卻后,轉(zhuǎn)入50 mL容量瓶中,用去離子水定容至50 mL作為待測(cè)液。按上述步驟處理對(duì)照。待測(cè)液8 000 r/min離心8 min后,取上清液,用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定發(fā)酵液中全鉀含量。
1.716S rDNA基因序列分析
斜面保存的菌株經(jīng)NA液體培養(yǎng)基搖菌活化后使用離心柱型細(xì)菌基因組DNA提取試劑盒(北京百泰克生物技術(shù)有限公司)提取細(xì)菌基因組DNA,保存于-20 ℃冰箱內(nèi)。以總DNA為模板,采用細(xì)菌16S rDNA通用引物[11]進(jìn)行PCR,擴(kuò)增16S rDNA近乎全長(zhǎng)片段。引物由生工生物工程(上海)股份有限公司合成,其序列為27F:5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′和1 492R:5′-GGTTACCTTGTTACGACTT-3′。
PCR采用50 μL反應(yīng)體系:2×Taq PCR MasterMix 25.0 μL,10 μmol/L引物各2.5 μL,DNA模板1.0 μL(20 ng左右),滅菌去離子水補(bǔ)足至50.0 μL。
PCR擴(kuò)增程序:94 ℃預(yù)變性5 min;94 ℃變性1 min,58 ℃復(fù)性1 min,72 ℃延伸3 min,30個(gè)循環(huán);72 ℃延伸 5 min。PCR產(chǎn)物經(jīng)1.0%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)后送生工生物工程(上海)股份有限公司測(cè)序。根據(jù)測(cè)序所得16S rDNA序列在GenBank中Blast搜索同源序列。通過MEGA 6軟件,以鄰接法(Neighbour-Joining)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹,Bootstrap 值為1 000[12]。
2結(jié)果與分析
2.1解磷解鉀的平板測(cè)定
從云南省西雙版納州普文鎮(zhèn)的番木瓜根際土壤里篩選得到2株解磷解鉀細(xì)菌,編號(hào)為PK-1和PK-2。通過固體平板法,根據(jù)透明圈直徑D與菌落直徑d的比值,即D/d值的大小初步測(cè)定菌株P(guān)K-1和PK-2的解磷解鉀能力。由表1可知,菌株P(guān)K-1和PK-2在解有機(jī)磷與解鉀能力方面都存在一定的差異。解有機(jī)磷方面,PK-1和PK-2的透明圈直徑都超過了12.00 mm,PK-1的D/d值達(dá)到3.48,大于 PK-2 的1.46,說明PK-1的解有機(jī)磷能力較強(qiáng);解鉀方面,PK-1與PK-2的透明圈直徑都超過了21.00 mm,PK-2的D/d值達(dá)到1.65,大于PK-1的1.26,說明PK-2的解鉀能力強(qiáng)于PK-1;解無(wú)機(jī)磷方面,PK-1和PK-2均未出現(xiàn)透明圈。
2.2解磷解鉀的搖瓶測(cè)定
對(duì)菌株P(guān)K-1和PK-2進(jìn)行7 d的解磷解鉀搖瓶培養(yǎng)后測(cè)得發(fā)酵液中無(wú)機(jī)磷全磷與可溶性磷含量、有機(jī)磷全磷與可溶性磷含量及全鉀與可溶性鉀含量(表2)。由表2可知,菌株P(guān)K-1和PK-2對(duì)無(wú)機(jī)磷、有機(jī)磷和鉀都表現(xiàn)出不同的降解作用。解無(wú)機(jī)磷(磷酸鈣)方面,PK-1和PK-2發(fā)酵液中全磷的質(zhì)量濃度分別為4.30、43.65 μg/mL,同時(shí)PK-1和PK-2的解磷量分別為1.63、17.26 μg/mL,說明PK-2解無(wú)機(jī)磷的能力明顯強(qiáng)于PK-1;在解有機(jī)磷(卵磷脂)方面,PK-1 和PK-2發(fā)酵液中全磷的質(zhì)量濃度分別為32.41、10.86 μg/mL,同時(shí)PK-1和PK-2的解磷量分別為8.49、2.38 μg/mL,說明PK-1對(duì)有機(jī)磷的溶解能力明顯強(qiáng)于 PK-2,與固體平板法測(cè)定的解有機(jī)磷能力的結(jié)果一致;解鉀方面,PK-1和PK-2發(fā)酵液中全鉀的質(zhì)量濃度分別為954、9.01 μg/mL,同時(shí)PK-1和PK-2的解鉀量分別為815、849 μg/mL,說明PK-2的解鉀能力略強(qiáng)于PK-1,與固體平板法測(cè)定的解鉀能力的結(jié)果一致。
2.316S rDNA基因序列測(cè)定及分析
提取的菌株P(guān)K-1和PK-2基因組DNA經(jīng)1.0%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),條帶清晰,無(wú)非特異性條帶,可用作16S rDNA PCR擴(kuò)增的模板。菌株P(guān)K-1和PK-2的16S rDNA PCR 擴(kuò)增采用1.0%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),結(jié)果在1 485 bp處有1條明亮的特征條帶,并且無(wú)其他非特異性條帶(圖1)。
將菌株P(guān)K-1和PK-2的16S rDNA基因測(cè)序所得序列,采用Blast進(jìn)行同源性比較,與GenBank中的核酸數(shù)據(jù)對(duì)比分析,選取同源性較高的代表菌株,以16S rDNA基因序列為基礎(chǔ),構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。從圖2中可以看出菌株P(guān)K-1與腸桿菌屬(Enterobacter)的細(xì)菌自然聚為1支,它的16S rDNA序列與河生腸桿菌[Enterobacter amnigenus (JQ063000)]有較高的同源性,相似度達(dá)100%,因此可鑒定菌株P(guān)K-1為腸桿菌屬。菌株P(guān)K-2與芽孢桿菌屬(Bacillus)聚為1群(圖3),它的16S rDNA序列與同溫層芽孢桿菌[Bacillus stratosphericus (KX262677)]有較高的同源性,相似度為100%,因此可將菌株P(guān)K-2鑒定為芽孢桿菌屬。
3結(jié)論與討論
從云南省西雙版納州普文鎮(zhèn)番木瓜根際土壤中篩選得到2株解磷解鉀細(xì)菌PK-1和PK-2,通過平板測(cè)定D/d值和搖瓶測(cè)定發(fā)酵液中的全磷、全鉀含量和可溶性磷、可溶性鉀含量評(píng)價(jià)其解磷、解鉀能力。在解磷解鉀能力的平板測(cè)定試驗(yàn)中,PK-1解有機(jī)磷的D/d值為3.48,大于PK-2的1.46;PK-2解鉀的D/d值為1.65,大于PK-1的1.26;解無(wú)機(jī)磷平板里PK-1和PK-2均沒有出現(xiàn)透明圈。解磷、解鉀能力的搖瓶測(cè)定試驗(yàn)中PK-2溶解無(wú)機(jī)磷的量為17.26 μg/mL,明顯高于PK-1的 1.63 μg/mL;PK-1溶解有機(jī)磷的量為8.49 μg/mL,明顯高于PK-2的2.38 μg/mL;PK-2溶解鉀的量為8.49 μg/mL,略高于PK-1的8.15 μg/mL。解有機(jī)磷和解鉀方面,菌株P(guān)K-1和PK-2在搖瓶測(cè)定試驗(yàn)和平板測(cè)定試驗(yàn)中的解磷、解鉀效果基本一致,這進(jìn)一步驗(yàn)證了固體平板試驗(yàn)的結(jié)果,說明溶解有機(jī)磷的能力為PK-1>PK-2,PK-2溶解鉀的能力大于PK-1但不顯著;解無(wú)機(jī)磷方面,菌株 PK-1和PK-2在平板測(cè)定試驗(yàn)中均無(wú)透明圈出現(xiàn),但在搖瓶測(cè)定試驗(yàn)中PK-1和PK-2表現(xiàn)出一定的解無(wú)機(jī)磷
能力(PK-2>PK-1),造成這種現(xiàn)象的原因可能是PK-1和PK-2的菌體在固體和液體環(huán)境中解無(wú)機(jī)磷能力不同,也可能是因?yàn)楣腆w平板中磷酸鈣的濃度過大,PK-1和PK-2的菌體溶解了部分磷酸鈣但還不足以形成明顯的透明圈。解磷解鉀細(xì)菌在生長(zhǎng)過程中能分泌一些物質(zhì),并向周圍擴(kuò)散,使菌落周圍的培養(yǎng)基中磷酸鈣、卵磷脂和鉀長(zhǎng)石礦粉溶解呈透明狀,因而固體平板-透明圈法是判定菌株是否具有解磷、解鉀能力的常用方法,適合進(jìn)行解磷解鉀菌的初篩,但存在一定的局限性,使用搖瓶培養(yǎng)測(cè)定能對(duì)菌株的解磷、解鉀能力進(jìn)行量化,更為準(zhǔn)確和科學(xué)[13-15]。
通過16S rDNA對(duì)菌株進(jìn)行初步鑒定,確定菌株P(guān)K-1屬于腸桿菌屬,菌株P(guān)K-2屬于芽孢桿菌屬,而腸桿菌屬和芽孢桿菌屬是較常見的解磷細(xì)菌和解鉀細(xì)菌[16-19]。菌株P(guān)K-1和PK-2同時(shí)具有較強(qiáng)的解磷、解鉀能力,這是一些其他的植物根際促生菌所不具備的特性,可進(jìn)一步研發(fā)成為番木瓜微生物肥料生產(chǎn)菌種,具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。關(guān)于菌株P(guān)K-1和PK-2對(duì)番木瓜促生作用及對(duì)土壤微環(huán)境的影響等有待進(jìn)一步研究。
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doi:10.15889/j.issn.1002-1302.2017.06.065