程小卿 江浩銘 崔業(yè)旋 林錦如 王利國
摘 要:? 廣藿香是著名藥材,青枯病是威脅廣藿香生產(chǎn)和質(zhì)量的主要病害。針對從廣藿香莖葉中分離出的1株有抑菌活性的內(nèi)生真菌Alternaria sp. GHX-P17,研究其代謝產(chǎn)物對廣藿香青枯病的防治作用及耐病機制。在室內(nèi)通過人工接種Alternaria sp. GHX-P17菌株與噴施粗提物稀釋液2種方式,于不同時間調(diào)查廣藿香青枯病的發(fā)病率和嚴重度,并計算其病情指數(shù)(disease index,DI)。同時,對處理后不同時間的廣藿香苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonialyase,PAL)、過氧化物酶(peroxidase,POD)和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)3種保護酶活性進行測定。結(jié)果表明:(1)Alternaria sp. GHX-P17處理后青枯病DI顯著降低,與對照比較,204 h后DI降低為27.16%,方差分析呈顯著性差異(P<0.05)。(2)隨著處理時間延長,青枯病嚴重度升高緩慢,嚴重度等級降低,到204 h時,處理組的嚴重度明顯低于對照,防治效果達到74.65%。(3)處理后的廣藿香3種保護酶PAL、POD和SOD活性均增強,但3種酶活性高峰出現(xiàn)時間不同,即PAL隨時間逐漸升高;POD先升高后降低,然后又升高,出現(xiàn)2個峰值;SOD快速升高后逐漸降低。這表明內(nèi)生真菌菌株Alternaria sp. GHX-P17可以提高廣藿香3種保護酶活性,延緩了青枯菌的侵染過程,降低了青枯病的發(fā)病程度。該研究結(jié)果為植物內(nèi)生真菌次級代謝產(chǎn)物活性成分研究及生物農(nóng)藥開發(fā)提供了參考。
關(guān)鍵詞: 內(nèi)生真菌, 代謝產(chǎn)物, 防治作用, 青枯病, 廣藿香, 保護酶
中圖分類號:? Q945.78
文獻標識碼:? A
文章編號:? 1000-3142(2023)07-1244-08
收稿日期:? 2022-07-07
基金項目:? 國家自然科學基金(81373901); 國家中醫(yī)藥管理局全國中藥資源普查項目(GZY-KJS-2018-004,GZY-KJS-2019-003); 國家公共衛(wèi)生服務(wù)補助資金項目[財社(2016)44號]。
第一作者: 程小卿( 1997-),碩士研究生,主要從事藥用植物與中藥藥劑研究,(E-mail) m13727718977@163.com。
通信作者:? 王利國,博士,主要從事中藥材種質(zhì)資源鑒定研究,(E-mail)wanglg@gzucm.edu.cn。
Control effects of metabolites of endophytic fungus Alternaria
sp. GHX-P17 on bacterial wilt and changes of protective
enzymes in Pogostemon cablin
CHENG Xiaoqing1, JIANG Haoming1, CUI Yexuan2, LIN Jinru1, WANG Liguo1*
( 1. Laboratory of Germplasm Resources and Molecular Identification of Traditional Chinese Medicine, School of Pharmaceutical Sciences,
Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510006, China; 2. Pharmacy Center, Yangchun
Traditional Chinese Medicine Hospital, Yangchun 529600, Guangdong, China )
Abstract:? There is a long history to cultivate the Pogostemon cablin in Guangdong Province, and it is a famous medicinal material. The bacterial wilt is the important disease that impacts the production and quality of P. cablin. Aiming to the control effects of metabolites of Alternaria sp. GHX-P17 strain that is belonging to an endophytic fungus isolated from the stems and leaves of P. cablin and the mechanism of disease resistance on bacterial wilt, a laboratory experiment had been conducted to investigate the incidence and severity of bacterial wilt in P. cablin at different time after artificial to inoculate the strain of Alternaria sp. GHX-P17 and to spray the crude extracts of the metabolites, and disease index (DI) was calculated. The activity changes of protective enzymes of phenylalanine ammonia lyase (PAL), peroxidase (POD) and superoxide dismutase (SOD) were determined in different time in P. cablin. The results were as follows: (1) The DI was significantly lower in the treatment groups with the crude extracts of Alternaria sp. GHX-P17 at different concentrations than that of control groups, and the DI decreased by 27.16% in the treatment groups at 204 h after inoculation. The variance analysis showed significant differences (P<0.05). (2) The severity of bacterial wilt was reduced with the extension of investigation time in P. cablin, and the severity levels increased slowly in treatment groups. The average severity was significantly lower than that of the control groups at 204 h, and the control effects reached 74.65%. (3) The activities of protective enzymes of PAL, POD and SOD increased observably after to inoculate spore suspension and to spray metabolites in P. cablin, but the activity peak time was different. PAL activities gradually increased after inoculation; POD first increased and then decreased, and then increased again, and there were two the activity peaks; SOD increased rapidly and then decreased gradually. Obviously, the metabolites of Alternaria sp. GHX-P17 can not only increase the activities of protective enzymes in P. cablin, and delay the infection process of Ralstonia solanacearum, but also decrease the severity levels of bacterial wilt. However, the research findings provide a reference for the study of active components of secondary metabolites of endophytic fungi and the development of biopesticides.
Key words: endophytic fungi, metabolites, control effects, bacterial wilt, Pogostemon cablin, protective enzymes
廣藿香(Pogostemon cablin)為唇形科刺蕊草屬一年生草本植物,干燥全草可入藥,是著名南藥,具有芳香化濁,開胃止嘔,發(fā)表解暑之功效(李薇和徐鴻華, 2003)。新的臨床研究發(fā)現(xiàn),以廣藿香為主打成分的宣肺敗毒基礎(chǔ)方劑在預防新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)方面也有不錯的療效(王釧等,2020;徐旭等,2020)。生產(chǎn)上,廣藿香青枯病(bacterial wilt)是威脅廣藿香生產(chǎn)和質(zhì)量的主要病害,每年減產(chǎn)30%~80%。廣藿香青枯病是由茄科雷爾氏菌(Ralstonia solanacearum)引起的一種細菌性病害,該菌被認為是熱帶與亞熱帶地區(qū)最重要的病原細菌之一,可危害多種作物。茄科雷爾氏菌主要從根部傷口入侵,穿過皮層進入維管束,產(chǎn)生侵填體(tylose)和胼胝質(zhì)(callose)堵塞導管和篩管,引起寄主青枯死亡。青枯病屬于土傳病害,較難防治,除常規(guī)的農(nóng)業(yè)防治和化學防治外,多人也從生防角度對青枯病防治進行了研究。例如,煙草作為典型青枯病指示植物(indicative plant),張欣悅等(2020)從煙草根際分離出2株拮抗細菌菌株GZYCT-4和GZYCT-9用于防治室內(nèi)煙草青枯病,具有一定的防效。Hanemian等(2013)用hrp基因插入突變獲得的無致病力青枯菌突變株,番茄青枯病病情顯著降低。
內(nèi)生菌因長期定殖于宿主植物組織內(nèi)與宿主協(xié)同進化,二者形成了一種非常復雜的共生關(guān)系,并影響著宿主植物各種成分的積累和對脅迫的應激反應(Cley & Schardi, 2002)。幾乎所有被研究過的植物中均能檢測到內(nèi)生菌的存在,這些內(nèi)生菌分布廣且具有豐富的生物多樣性。藥用植物是挖掘活性內(nèi)生菌資源的重要寶庫,其內(nèi)生菌群落組成豐度、定殖率、分離頻率、優(yōu)勢種群數(shù)量超過其他非藥用植物。目前,已從鐵皮石斛(Dendro-bium officinale)(胡克興等, 2010;周琢艷等, 2017)、甘草(Glycyrrhiza uralensis)(陳靜等, 2019)、杜仲(Eucommia ulmoides)(梁雪娟等, 2014)、拐棗(Hovenia acerba)( Gao et al., 2005)、茅蒼術(shù)(Atractylodes lancea)(呂立新等, 2014)等藥材中分離出具有不同生理活性的內(nèi)生菌,并通過對活性代謝物組分分析,篩選出一批有新穎化學結(jié)構(gòu)的潛在先導物,為抗氧化、抗腫瘤、抗菌藥物的研發(fā)開辟了新途徑。
內(nèi)生菌與宿主互作間產(chǎn)生的小分子次生代謝物對宿主的生長發(fā)育、系統(tǒng)防御以及宿主代謝產(chǎn)物的合成起著關(guān)鍵的調(diào)控作用(Fragoso et al., 2014; Jia et al., 2016)?;钚詢?nèi)生菌能夠產(chǎn)生與宿主植物相同或相似的活性代謝物,這些活性物質(zhì)通過調(diào)控宿主防御酶合成關(guān)鍵基因的表達而增強宿主的抗性反應(彭淑萍等,2021)。前期該文PI團隊對2種廣藿香栽培品種牌香(Pogostemon cablin cv. shipaiensis)和湛香(P. cablin cv. zhanjiangensis)內(nèi)生真菌群落結(jié)構(gòu)組成進行了研究(王利國等, 2022),從牌香中分離出1株具有活性的內(nèi)生真菌GHX-P17,鑒定為鏈格孢屬真菌(Alternaria sp.)。通過室內(nèi)平板對峙實驗,發(fā)現(xiàn)該菌株產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物有較明顯的抑菌活性。為進一步了解Alternaria sp. GHX-P17菌株及其代謝物對植物病害的防治作用機理,探究內(nèi)生菌與宿主防御酶基因表達之間的關(guān)系,本文通過室內(nèi)人工接種孢子懸浮液和噴施代謝產(chǎn)物粗提物兩種方法,測定處理后不同時間SOD、POD和PAL 3種酶活性的變化方式及對廣藿香青枯病的防治效果。
1 材料與方法
1.1 樣品來源
供試材料選用廣藿香組培苗,移栽于花盆室內(nèi)培養(yǎng)至15 cm以上。接種用青枯菌菌株HX-6由廣州中醫(yī)藥大學賀紅教授提供,菌株購自廣東省科學院微生物研究所菌種保藏中心。供試內(nèi)生真菌菌株GHX-P17由廣州中醫(yī)藥大學中藥種質(zhì)資源與分子鑒定PI團隊從牌香上分離獲得。
1.2 菌株活化與樣品提取
青枯菌HX-6菌株活化采用平板劃線培養(yǎng),培養(yǎng)基為營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基(nutrient agar medium, NA)(北京奧博星)。內(nèi)生真菌GHX-P17代謝產(chǎn)物采用懸浮液振蕩培養(yǎng),用內(nèi)徑6 mm的打孔器切取PDA平板上產(chǎn)孢的內(nèi)生真菌菌塊放于50 mL PDB液體培養(yǎng)基中振蕩培養(yǎng),其中,一組培養(yǎng)液振蕩培養(yǎng)24 h后,配成孢子數(shù)達1×106? CFU·mL-1的孢子懸浮液備用,另一組連續(xù)振蕩培養(yǎng)6~7 d。將已發(fā)酵的菌液在-70 ℃下凍融3次后,用超聲波細胞破碎儀破壁(寧波新芝,scientz-IID),以釋放胞內(nèi)產(chǎn)物。過濾去除菌絲體, 濾液冷凍干燥, 甲醇浸提,配成母液備用。
1.3 接種
青枯菌接種參考劉丹等(2011)的傷根浸泡方法。內(nèi)生真菌接種采用拇指蘸取含石英砂的孢子懸浮液輕輕涂抹在組培苗葉片的正面,于飽和濕度下25 ℃暗培養(yǎng)24 h。待侵染成功后將廣藿香苗放回光照培養(yǎng)箱(上海一恒,MGC-450BP)照光培養(yǎng),光照強度10 000 lx,照光時長12 h·d-1。同時,將內(nèi)生真菌提取液母液用無菌水稀釋成2.5、5.0、10.0 mg·mL-1,于接種保濕結(jié)束后噴施在組培苗葉片上,隔天再噴施1次。實驗設(shè)對照組,對照組為同一批廣藿香組培苗,但未接種青枯菌(Ralstonia solanacearum)和噴施GHX-P17代謝物。實驗重復3次,每次每濃度處理20株。
1.4 調(diào)查方法與數(shù)據(jù)處理
接種后于84、120、156、180、204 h調(diào)查廣藿香青枯病發(fā)病率(%)和嚴重度,計算病情指數(shù)(disease index, DI)。發(fā)病率(%)=發(fā)病株數(shù)/調(diào)查總株數(shù)SymboltB@100。病情指數(shù)(%)=∑(各級病株數(shù)各級嚴重度)/(調(diào)查總株數(shù)SymboltB@最高嚴重度)SymboltB@100。廣藿香青枯病嚴重度劃分標準參考中華人民共和國國家標準GB/T 23222—2008關(guān)于煙草青枯病分級調(diào)查方法及芝麻青枯病嚴重度分級標準(李信申等,2019)。廣藿香青枯病標準如下:0級為全株無??;1級為莖基部病斑散射狀、病斑不連續(xù),呈狹長型,葉片不凋萎;3級為莖基部病斑合并,環(huán)繞莖圍不超過1/3,1/3的葉片輕度凋萎,下部少數(shù)葉片出現(xiàn)青枯;5級為病斑超過莖圍的1/2,但未全部環(huán)繞莖圍,1/2葉片青枯;7級為莖部病斑環(huán)繞莖圍,2/3以上葉片凋萎或青枯;9級為病株青枯死亡。
用SPSS 22.0軟件中的皮爾森相關(guān)系數(shù)(pearson correlation coefficient)法對處理組和對照組發(fā)病率和病情指數(shù)相關(guān)性進行分析,采用單因素方差分析(one-way ANOVA)中的Turkey HSD檢驗進行差異顯著性分析。當P<0.05時,差異顯著。
1.5 SOD、POD及PAL活性測定
接種后定時取樣測定超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、過氧化物酶(peroxidase, POD)和苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonialyase, PAL)活性。PAL測定參照李合生等(2000)的方法,以290 nm下OD值變化0.01為1個酶活性單位(U),活性大小以每克蛋白的酶單位(U·g-1 prot)表示;POD活性采用愈創(chuàng)木酚法進行測定,以每分鐘每克蛋白的OD470 nm值(OD·g-1 prot)表示;SOD活性以抑制NBT光還原50%為1個酶活性單位,以每克蛋白的單位數(shù)(U·g-1 prot)表示。使用日本島津公司的UV-2450型紫外可見分光光度計測定OD值;以標準牛血清蛋白為對照計算總可溶性蛋白含量;以未接種和未噴施GHX-P17的廣藿香為空白對照。實驗重復3次。
2 結(jié)果與分析
2.1 青枯病嚴重度變化
接種青枯菌84 h后,對照廣藿香靠近莖基部開始出現(xiàn)少量褪色斑,病斑呈散點狀,達到嚴重度1級(圖1:A);到156 h時,嚴重度為5級的廣藿香達到50%,癥狀顯示為莖基部病斑向上延伸擴大,環(huán)繞莖圍超過1/2,下部葉片出現(xiàn)少量青枯死亡(圖1:B);到204 h時,病斑連片繞莖,呈黑褐色,大部分廣藿香青枯死亡,嚴重度為7~9級(圖1:C)。
2.2 代謝產(chǎn)物對青枯病的防治作用
由表1可知,不同濃度處理的廣藿香與對照比較,青枯病發(fā)病率變化不大,Turkey 檢驗表明處理組與對照組無顯著性差異(P<0.05)。84 h后平均發(fā)病率為10.42%,到204 h時,處理組發(fā)病率為94.65%,對照組發(fā)病率為100%。
隨著處理時間的延長,GHX-P17提取液可以有效減緩廣藿香青枯病發(fā)病程度,表現(xiàn)為青枯病嚴重度降低,DI減少。由表2可知,隨著噴施濃度增加和時間的延長,防治效果開始顯現(xiàn)。處理后156 h,噴施了濃度為5.0 mg·mL-1和10.0 mg·mL-1的廣藿香,青枯病DI顯著低于對照組和2.5 mg·mL-1處理組,Turkey 檢驗呈顯著性差異(P<0.05);到204 h時,5.0 mg·mL-1和10.0 mg·mL-1處理組的廣藿香平均DI為67.78%,而對照組為98.10%,防效達30.90%。
2.3 保護酶活性變化
2.3.1 PAL 廣藿香接種青枯菌后,處理組和對照組PAL活性普遍升高,但升高幅度相差不大;96 h后處理組PAL活性開始緩慢升高;到132 h時,5? mg·mL-1和10 mg·mL-1處理的PAL活性明顯高于對照組和2.5 mg·mL-1處理;到168 h時,活性升高值達到最大,此時升高幅度比對照高出90.23%,之后活性略有下降,但仍維持在一個較高的水平。2.5 mg·mL-1處理的PAL活性始終和對照相差不大,表明低濃度的菌株提取液未能激發(fā)提高廣藿香的防衛(wèi)反應(圖2)。
2.3.2 POD GHX-P17提取液對POD活性變化的影響與PAL不同。由圖3可知,接種后24 h,對照組和處理組POD活性迅速升高,但是處理組POD活性升高速率明顯快于對照。60 h時,處理組POD活性到達第1個高峰,比對照高49.54%,之后開始下降;在96 h至132 h期間,處理組POD活性一直維持在較低水平;到168 h時,處理組POD活性再次升高到達第2個高峰,升高幅度與第1峰持平,之后逐漸下滑。第1次升高應該與清除廣藿香體內(nèi)過度積累的活性氧有關(guān),因為青枯菌侵染會引起寄主釋放大量活性氧,即氧爆發(fā)(oxidative burst);第2峰出現(xiàn)的時間和PAL活性峰值達到時間相近,表明POD參與了細胞壁木質(zhì)素的合成,以加強細胞壁木質(zhì)化程度。
2.3.3 SOD ?接種青枯菌24 h后,處理組和對照組廣藿香的SOD活性開始升高,5 mg·mL-1、10 mg·mL-1處理的廣藿香SOD升高幅度明顯高于對照組;到60 h時,處理組和對照SOD活性同時升到最高,之后開始下降;132 h后,SOD活性下降了11.32%;到168 h時,SOD幾乎回到了24 h的活性值,但仍維持在一個較高水平(圖4)。SOD作為植物抗氧化劑,主要用于清除過度積累的氧自由基。SOD活性變化趨勢表明,接種后60 h氧自由基的大量產(chǎn)生,激發(fā)了SOD活性,有利于消除氧自由基過度積累對細胞造成的傷害,從而保證細胞內(nèi)正常代謝功能的運轉(zhuǎn)。
3 討論與結(jié)論
植物內(nèi)生菌具有物種多樣性和多重生理活性,其對宿主生長的影響多樣且復雜。目前,已從多種植物中分離出有活性的內(nèi)生菌,這些內(nèi)生菌除自身分泌的代謝小分子物質(zhì)具有抗氧化(楊明俊等,2020)、抗菌(王沫等,2016)、抗腫瘤(繆莉等, 2020)等作用外, 其與宿主長期共生過程中還能協(xié)助宿主增強抵抗各種生物和非生物因子的脅迫,提高宿主的抗病和耐病能力。研究最持久也最為深入的是麥角菌科(Clavicipitaceae)的Epichlo屬內(nèi)生菌(Epichlo)(Siege et al., 1987)。Epichlo長期定殖于干旱和鹽堿地逆境環(huán)境下的禾本科牧草和雜草中,其通過合成生物堿等次生代謝物來幫助禾草抵御害蟲、病原菌等生物的侵害,同時,Epichlo也能改善禾草對干旱、鹽堿、重金屬等非生物脅迫的抵抗能力(Mrquez et al., 2010;李春杰等, 2021)。宋梅玲等(2021)研究發(fā)現(xiàn)Epichlo不僅對活體禾草抗逆性有重要影響,隨著氣溫降低,禾草和Epichlo共生體組成的凋落物,其Epichlo還能通過調(diào)節(jié)保護酶的活性提高凋落物的全氮、木質(zhì)素和纖維素的降解實現(xiàn)禾草生命活動的良性有機循環(huán)。目前,室內(nèi)通過各種平板對峙實驗,許多研究者從各類植物中篩選出一批具有抑菌或拮抗活性的內(nèi)生菌,這些活性菌與病原菌共培養(yǎng)過程中釋放的次生代謝物多種多樣,均表現(xiàn)出較強的抑制病原真菌菌絲生長和抑制病原細菌和病原線蟲繁殖的能力(Deshmukh et al., 2022)。就內(nèi)生真菌而言,早期分離出來的活性內(nèi)生真菌大多屬于腐生菌(Rosa et al., 2009; Herrera et al., 2010)。按照現(xiàn)代菌物分類系統(tǒng),我們從廣藿香獲得的鏈格孢菌GHX-P17菌株,為子囊菌門下的座囊菌綱(Dothideomycetes)、格孢腔菌目(Pleosporales)、格孢腔菌科(Pleosporaceae)的鏈格孢屬真菌,屬兼性寄生菌(賀新生,2015)。目前,真菌索引數(shù)據(jù)庫(index fungorum, IF)記錄的784種及種下鏈格孢菌中,除了病原鏈格孢菌外,有一部分屬于宿主內(nèi)生鏈格孢菌,其活性作用值得深入研究。前期PI團隊在研究兩種栽培型廣藿香不同生長期內(nèi)生真菌群落組成變化中分離出2 352株內(nèi)生真菌,并從中初篩出幾十株具有活性的菌株,這些菌株在抗氧化和抗菌方面均有較好的表現(xiàn)。Alternaria sp. GHX-P17室內(nèi)平板對峙實驗表現(xiàn)出較強的廣譜抗菌活性,對大腸桿菌(Escherichia coli)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)和茄科雷爾氏菌均有較好的抑菌效果。本研究通過噴灑GHX-P17代謝提取物進一步表明該菌具有延緩青枯病發(fā)病時間,降低青枯病嚴重度的能力,防效達74.65%。
內(nèi)生菌及其代謝物不僅能夠影響宿主本身逆境下的各種應激防御反應,還能增強非宿主植物抵御外部脅迫的耐受能力。一方面,內(nèi)生菌通過拮抗作用阻止病菌侵染或通過競爭植物組織位點的方式減緩病菌的蔓延;另一方面,內(nèi)生菌通過激活植物免疫修復通道和提高防御酶活性以釋放更多抗脅迫因子,減輕植物受到的各種生理性傷害(伊帕熱·帕爾哈提等,2022)。引起植物病害的脅迫因子多樣,包括由病原菌侵染引起的侵染性病害以及由干旱、水澇、土壤鹽堿、大氣污染、重金屬超標和營養(yǎng)缺乏等導致的非侵染性病害。宿主與這些脅迫因子互作過程中,測定保護酶活性變化和丙二醛(malonaldehyde)含量是常用的手段之一(朱艷蕾,2018)。防御性保護酶(protective enzymes)是宿主受到外部脅迫后主動產(chǎn)生的活性酶,也是研究宿主抗逆性的常用指標,指標包括PAL、POD和SOD。早期,我們對保護酶在膠孢炭疽菌(Colletotrichum gloeosporioides)侵染墨蘭組織后活性表現(xiàn)進行了研究(王利國等,2004)。這些保護酶在清除氧自由基,催化寄主細胞壁木質(zhì)素和病程相關(guān)蛋白(pathogenesis-related protein)合成中發(fā)揮著重要的作用。本實驗通過測定3種保護酶活性的變化進一步證實,GHX-P17能夠激發(fā)宿主PAL、POD和SOD的活性。3種保護酶通過激活宿主不同的防御因子,提高宿主的抗逆能力。在廣東地區(qū),廣藿香生長期不開花,不結(jié)種子,種植主要通過無性繁殖材料或組培苗進行栽培,無法通過常規(guī)育種手段繁育抗病品種,加之連年栽培,青枯病越發(fā)嚴重。除了常規(guī)的農(nóng)業(yè)防治和化學防治外,許多人也從多角度對青枯病生物防治進行了研究,部分成果已應用于生產(chǎn)中。目前,青枯病生物防治主要研究領(lǐng)域有拮抗菌的篩選,包括芽孢桿菌(Bacillus)、假單胞桿菌(Pseudomonas)及放線菌(actinomycetes)的利用和無致病力突變株的篩選等。內(nèi)生真菌代謝物在防治病原菌侵染和激發(fā)寄主抗病能力方面的作用無疑為我們提供了一條可以利用的生物防治途徑。
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(責任編輯 李 莉 王登惠)