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第三章遺傳作圖及基因/QTL定位2020年9月28日11、作圖群體的建立

建立完整的、高密度的分子遺傳圖譜是研究數(shù)量性狀基因的前提。構(gòu)建遺傳圖譜的主要環(huán)節(jié)包括:①根據(jù)遺傳材料之間的多態(tài)性確定親本組合,建立作圖群體(作圖成功和高效的關(guān)鍵);②群體中不同植株或品系的標(biāo)記基因型的分析;③標(biāo)記間連鎖群的確立。2020年9月28日2

第一節(jié)作圖群體的建立要構(gòu)建DNA標(biāo)記連鎖圖譜,必須建立作圖群體。建立作圖群體需要考慮的重要因素包括親本的選配、分離群體類型的選擇及群體大小的確定等。

2020年9月28日3一、親本的選配 親本的選擇直接影響到構(gòu)建連鎖圖譜的難易程度及所建圖譜的適用范圍。一般應(yīng)從四個(gè)方面對(duì)親本進(jìn)行選擇,首先要考慮親本間的DNA多態(tài)性。親本之間的DNA多態(tài)性與其親緣關(guān)系有著密切關(guān)系,這種親緣關(guān)系可用地理的、形態(tài)的或同工酶多態(tài)性作為選擇標(biāo)準(zhǔn)。第二,選擇親本時(shí)應(yīng)盡量選用純度高的材料,并進(jìn)一步通過(guò)自交進(jìn)行純化。第三,要考慮雜交后代的可育性。親本間的差異過(guò)大,雜種染色體之間的配對(duì)和重組會(huì)受到抑制,導(dǎo)致連鎖座位間的重組率偏低,并導(dǎo)致嚴(yán)重的偏分離現(xiàn)象,降低所建圖譜的可信度和適用范圍;嚴(yán)重的還會(huì)降低雜種后代的結(jié)實(shí)率,甚至導(dǎo)致不育,影響分離群體的構(gòu)建。2020年9月28日4二、分離群體類型的選擇根據(jù)其遺傳穩(wěn)定性可將分離群體分成兩大類:一類稱為暫時(shí)性分離群體,如F2、F3、F4、BC、三交群體等,這類群體中分離單位是個(gè)體,一經(jīng)自交或近交其遺傳組成就會(huì)發(fā)生變化,無(wú)法永久使用。另一類稱為永久性分離群體,如RI、DH群體等,這類群體中分離單位是株系,不同株系之間存在基因型的差異,而株系內(nèi)個(gè)體間的基因型是相同且純合的,是自交不分離的。這類群體可通過(guò)自交或近交繁殖后代,而不會(huì)改變?nèi)后w的遺傳組成,可以永久使用。構(gòu)建DNA連鎖圖譜可以選用不同類型的分離群體,它們各有其優(yōu)缺點(diǎn),因此應(yīng)結(jié)合具體情況選用。2020年9月28日5(一)F2代群體 F2群體是常用的作圖群體,迄今大多數(shù)植物的DNA標(biāo)記連鎖圖譜都是用F2群體構(gòu)建的。不論是自花授粉植物,還是異花授粉植物,建立F2群體都是容易的,這是使用F2群體進(jìn)行遺傳作圖的最大優(yōu)點(diǎn)。但F2群體的一個(gè)不足之處是存在雜合基因型。對(duì)于顯性標(biāo)記,將無(wú)法識(shí)別顯性純合基因型和雜合基因型。由于這種基因型信息簡(jiǎn)并現(xiàn)象的存在,會(huì)降低作圖的精度。而為了提高精度,減小誤差,則必須使用較大的群體,從而會(huì)增加DNA標(biāo)記分析的費(fèi)用。 F2群體的另一個(gè)缺點(diǎn)是不易長(zhǎng)期保存,有性繁殖一代后,群體的遺傳結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生變化。為了延長(zhǎng)F2群體的使用時(shí)間,一種方法是對(duì)其進(jìn)行無(wú)性繁殖,如進(jìn)行組織培養(yǎng)擴(kuò)繁。但這種方法不是所有的植物都適用,且耗資費(fèi)工。另一種方法是使用F2單株的衍生系(F3株系或F4家系)。將衍生系內(nèi)多個(gè)單株混合提取DNA,則能代表原F2單株的DNA組成。為了保證這種代表性的真實(shí)可靠,衍生系中選取的單株必須是隨機(jī)的,且數(shù)量要足夠多。這種方法對(duì)于那些繁殖系數(shù)較大的自花授粉植物(如水稻、小麥等)特別適用。2020年9月28日6(二)BC1群體 BC1(回交一代)也是一種常用的作圖群體。BC1群體中每一分離的基因座只有兩種基因型,它直接反映了F1代配子的分離比例,因而BC1群體的作圖效率最高,這是它優(yōu)于F2群體的地方。

雖然BC1群體是一種很好的作圖群體,但它也與F2群體一樣,存在不能長(zhǎng)期保存的問(wèn)題??梢杂肍2中使用的類似方法來(lái)延長(zhǎng)BC1群體的使用時(shí)間。另外,對(duì)于一些人工雜交比較困難的植物,BC1群體也不太合適,因?yàn)橐皇请y以建立較大的BC1群體,二是容易出現(xiàn)假雜種,造成作圖的誤差。2020年9月28日7(三)RI群體

RI(重組自交系)群體是雜種后代經(jīng)過(guò)多代自交而產(chǎn)生的一種作圖群體,通常從F2代開始,采用單粒傳的方法來(lái)建立。由于自交的作用是使基因型純合化,因此,RI群體中每個(gè)株系都是純合的,因而RI群體是一種可以長(zhǎng)期使用的永久性分離群體。理論上,建立一個(gè)無(wú)限大的RI群體,必須自交無(wú)窮多代才能達(dá)到完全純合;建立一個(gè)有限大小的RI群體則只需自交有限代。然而,即使是建立一個(gè)通常使用的包含100~200個(gè)株系的RI群體,要達(dá)到完全純合,所需的自交代數(shù)也是相當(dāng)多的。建立RI群體是非常費(fèi)時(shí)的。在實(shí)際研究中,人們往往無(wú)法花費(fèi)那么多時(shí)間來(lái)建立一個(gè)真正的RI群體,所以常常使用自交6~7代的“準(zhǔn)”RI群體。2020年9月28日8

在RI群體中,每一分離座位上只存在兩種基因型,且比例為1:1。 RI群體的優(yōu)點(diǎn)是可以長(zhǎng)期使用,可以進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。因此它除了可用于構(gòu)建分子標(biāo)記連鎖圖外,特別適合于數(shù)量性狀基因座(QTL)的定位研究。但是,考慮到構(gòu)建RI群體要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間,如果僅是為了構(gòu)建分子標(biāo)記連鎖圖的話,選用RI群體是不明智的。另外,異花授粉植物由于存在自交衰退和不結(jié)實(shí)現(xiàn)象,建立RI群體也比較困難。2020年9月28日9(四)DH群體 高等植物的單倍體(Haploid)是含有配子染色體數(shù)的個(gè)體。單倍體經(jīng)過(guò)染色體加倍形成的二倍體稱為加倍單倍體或雙單倍體(DH)。DH植株是純合的,自交后即產(chǎn)生純系,因此DH群體可以穩(wěn)定繁殖,長(zhǎng)期使用,是一種永久性群體。 DH群體直接從F1花粉經(jīng)培養(yǎng)產(chǎn)生,因而建立DH群體所需時(shí)間不多。但是,產(chǎn)生DH植株有賴于花培技術(shù)。有些植物的花藥培養(yǎng)非常困難,就無(wú)法通過(guò)花培來(lái)建立DH群體。另外,植物的花培能力跟基因型關(guān)系較大,因而花培過(guò)程會(huì)對(duì)不同基因型的花粉產(chǎn)生選擇效應(yīng),從而破壞DH群體的遺傳結(jié)構(gòu),造成較嚴(yán)重的偏分離現(xiàn)象,這會(huì)影響遺傳作圖的準(zhǔn)確性。因此,如果是以構(gòu)建分子標(biāo)記連鎖圖為主要目的的話,DH群體不是一種理想的作圖群體。2020年9月28日10利用重組自交系間互交構(gòu)建的永久性F2群體(ImmortalizedF2),具有以下突出優(yōu)點(diǎn):①基因型組成類似于F2群體,具有豐富的遺傳信息;②與F2每種基因型僅一個(gè)單株相比,永久性F2群體可有大量植株為同一基因型。該群體兼具F2和永久性作圖群體的優(yōu)勢(shì),為遺傳研究提供了新的材料類型。2020年9月28日11

遺傳圖譜的分辨率和精度,很大程度上取決于群體大小。群體越大,則作圖精度越高。但群體太大,不僅增大實(shí)驗(yàn)工作量,而且增加費(fèi)用。因此確定合適的群體大小是十分必要的。在實(shí)際工作中,構(gòu)建分子標(biāo)記骨架連鎖圖可基于大群體中的一個(gè)隨機(jī)小群體(如150個(gè)單株或家系),當(dāng)需要精細(xì)地研究某個(gè)連鎖區(qū)域時(shí),再有針對(duì)性地在骨架連鎖圖的基礎(chǔ)上擴(kuò)大群體。這種大小群體相結(jié)合的方法,既可達(dá)到研究的目的,又可減輕工作量??偟恼f(shuō)來(lái),在分子標(biāo)記連鎖圖的構(gòu)建方面,為了達(dá)到彼此相當(dāng)?shù)淖鲌D精度,所需的群體大小的順序?yàn)镕2>RI>BC1和DH。三、群體大小的確定2020年9月28日123、QTL定位的方法

QTL定位就是檢測(cè)分子標(biāo)記與QTL間的連鎖關(guān)系,同時(shí)還可以估計(jì)QTL的效應(yīng)。利用DNA標(biāo)記進(jìn)行QTL定位的遺傳學(xué)基礎(chǔ)是:當(dāng)分子標(biāo)記與某一個(gè)性狀的QTL連鎖時(shí),不同標(biāo)記基因型的個(gè)體的表型值將存在顯著差異,分析這種差異,就可推斷與分子標(biāo)記相連鎖的QTL的位置和方法。與飽和遺傳圖譜的構(gòu)建相適應(yīng),QTL定位的統(tǒng)計(jì)分析方法也在不斷發(fā)展。2020年9月28日133.1單標(biāo)記分析法單標(biāo)記分析法就是通過(guò)t測(cè)驗(yàn)、方差分析、回歸分析、似然比測(cè)驗(yàn)或最大似然估計(jì),比較某一標(biāo)記不同基因型數(shù)量性狀表型值間的差異,如果差異顯著,則說(shuō)明控制數(shù)量性狀的QTL與該標(biāo)記有連鎖,進(jìn)而估計(jì)其效應(yīng)。單標(biāo)記分析法有一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn),即不需要完整的標(biāo)記連鎖圖,因而早期的QTL定位研究多采用這種方法。2020年9月28日14但傳統(tǒng)的單標(biāo)記分析方法存在許多缺點(diǎn):①不能確定標(biāo)記是與一個(gè)QTL連鎖還是與幾個(gè)QTL連鎖;②無(wú)法確切估計(jì)QTL的可能位置;③遺傳效應(yīng)與重組率混合在一起,導(dǎo)致低估了QTL的遺傳效應(yīng);④容易出現(xiàn)假陽(yáng)性;⑤檢測(cè)效率不高,所需的個(gè)體數(shù)較多,⑥對(duì)于某標(biāo)記而言,基因型缺失的個(gè)體必須剔除。

2020年9月28日153.2區(qū)間作圖法(Intervalmapping,IM)

鑒于單標(biāo)記方法存在的問(wèn)題,Lander和Bostein(1989)提出了基于兩個(gè)側(cè)鄰標(biāo)記的區(qū)間作圖法。2020年9月28日16該方法借助于完整的分子標(biāo)記連鎖圖譜,計(jì)算基因組任意位置上兩個(gè)相鄰標(biāo)記之間存在或不存在QTL的似然比的對(duì)數(shù)(LOD值)。根據(jù)整個(gè)染色體上各點(diǎn)處的LOD值可以檢測(cè)出一個(gè)QTL在該染色體上存在與否的似然圖譜。當(dāng)LOD值超過(guò)某一給定的臨界值時(shí),即表明存在一個(gè)QTL,其置信區(qū)間為對(duì)應(yīng)于峰兩側(cè)各下降1個(gè)LOD值的圖譜區(qū)間。2020年9月28日17與單標(biāo)記分析法相比,區(qū)間作圖法具有以下優(yōu)點(diǎn):①能從支持區(qū)間推斷QTL的可能位置;②可利用標(biāo)記連鎖圖在全基因組系統(tǒng)地搜索QTL,假如一條染色體上只有一個(gè)QTL,QTL的位置和效應(yīng)估計(jì)漸近于無(wú)偏;③QTL檢測(cè)所需的個(gè)體數(shù)大大減少。區(qū)間作圖法一度成為QTL作圖的標(biāo)準(zhǔn)方法。2020年9月28日18但區(qū)間作圖法仍存在許多問(wèn)題:無(wú)法檢測(cè)上位性效應(yīng)和基因型與環(huán)境的互作;當(dāng)相鄰QTL相距較近時(shí),QTL間相互干擾使QTL的位置和效應(yīng)估計(jì)出現(xiàn)偏差;每次檢驗(yàn)僅用兩個(gè)標(biāo)記,其他標(biāo)記的信息未加利用。2020年9月28日193.3復(fù)合區(qū)間作圖法(CompositeIntervalMapping,CIM)

復(fù)合區(qū)間作圖法是Zeng系統(tǒng)研究了多元線性回歸方法(一個(gè)因變量和多個(gè)自變量間的相關(guān)關(guān)系)進(jìn)行QTL作圖的理論基礎(chǔ),進(jìn)而提出把多元回歸與區(qū)間作圖結(jié)合起來(lái)的QTL定位方法。該方法中擬合了其它遺傳標(biāo)記,即在對(duì)某一特定標(biāo)記區(qū)間進(jìn)行檢測(cè)時(shí),將其它與QTL連鎖的標(biāo)記也擬合在模型中以檢測(cè)背景遺傳效應(yīng)。2020年9月28日20復(fù)合區(qū)間作圖法的主要優(yōu)點(diǎn)是:①仍采用QTL似然圖來(lái)顯示QTL的可能位置及顯著程度,從而保持了區(qū)間作圖法的優(yōu)點(diǎn);②一次只檢驗(yàn)一個(gè)區(qū)間,把對(duì)多個(gè)QTL的多維搜索降低為一維搜索;③假如不存在上位性和QTL與環(huán)境互作,QTL的位置和效應(yīng)估計(jì)是漸近無(wú)偏的;④以所選擇的多個(gè)標(biāo)記為條件,在較大程度上控制了背景遺傳效應(yīng),提高了作圖的精度和效率。2020年9月28日21復(fù)合區(qū)間作圖法也存在一些問(wèn)題,主要有:不能分析上位性及QTL與環(huán)境互作等復(fù)雜的遺傳效應(yīng);2020年9月28日223.4多重區(qū)間作圖法(MultipleIntervalMapping,MIM)

Kao和Zeng等(1999)提出了多重區(qū)間作圖法進(jìn)行基因定位,這種方法也是以極大似然法估算遺傳參數(shù),突破了回歸方法的局限性,可同時(shí)在多個(gè)區(qū)間上檢測(cè)多個(gè)QTL,使QTL作圖的精確度和有效性得到了改進(jìn)。利用MIM法還能估計(jì)和分析QTL之間的上位性、個(gè)體的基因型值和數(shù)量性狀的遺傳力。但其計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜,而且如何確定合適的臨界值目前尚無(wú)理論支持。2020年9月28日233.5基于混合線性模型的復(fù)合區(qū)間作圖法(MixedCompositeIntervalMapping)

朱軍提出了用隨機(jī)效應(yīng)的預(yù)測(cè)方法獲得基因型效應(yīng)及基因型與環(huán)境互作效應(yīng),然后再用區(qū)間作圖法進(jìn)行遺傳主效應(yīng)及基因型與環(huán)境互作效應(yīng)的QTL分析。2020年9月28日24該模型可以擴(kuò)展到分析具有加×加、加×顯、顯×顯上位性的各項(xiàng)遺傳主效應(yīng)及其與環(huán)境互作效應(yīng)的QTL。利用這些效應(yīng)估計(jì)值,可預(yù)測(cè)基于QTL主效應(yīng)的普通雜種優(yōu)勢(shì)和基于QTL與環(huán)境互作效應(yīng)的互作雜種優(yōu)勢(shì)。但該模型在檢測(cè)上位性效應(yīng)、基因型與環(huán)境互作效應(yīng)的靈敏度有限,不同重復(fù)資料間的吻合性不高。2020年9月28日25NameSourceCompanionprogram①Functions②Designs③Mapmaker/QTLMapmaker/MapmanagerQTSIM/CIMBC,F2,F3QTLCartographerMapmaker/MapmanagerQTSIM/CIM,PTBCx,SFx,RFx,RI,othersMapmanagerQTQTLCartographer/Mapmaker/QgeneSIM/CIM,PTBC,F2,RIQGeneTMMapmanagerQTSIM,PTBCx,F2,F3,DH,othersMapQTLTMJoinmapSIM/CIM,PTBC,F2,Risx,DH,CPPLABQTL-SIM/CIMBC,F2,SFxMQTL-sCIM,PTBC,DH,RIMultimapperQTLCartographer/MapmakerCIMBC,F2TheQTLCaféQTLCartographer/JoinmapSIMBC,F2,DH,RIEpistatspreadsheetprogramPTBC,RIQTLMapper

MCIMBC,F2,DH,RIJoinmapMapmaker

BC,F2,DH,RI2020年9月28日264、作物QTL定位研究進(jìn)展

隨著遺傳圖譜的日益飽和以及QTL定位方法的不斷完善,植物QTL定位研究發(fā)展很快,從模式植物水稻、擬南芥的深入研究逐步擴(kuò)展到玉米、小麥、大豆、棉花等重要作物的諸多重要性狀(表3)。2020年9月28日27Plant/CropTraitAuthorYearArabodopsisFruitnumber,Boltingdate,FloweringdateWeinigCetal.2003RiceBranching,floretformation,andpre-floweringfloretabortionofricepanicleYamagishiJ.2004

DevelopmentalbehaviorofplantheightCaoG.2001

PasteviscositycharacteristicsBaoJ.S.2000

SeeddormancyandheadingdateLináS.Y.1998BarleyCallusgrowth,subsequentshootdifferentiationratioandgreenshootratioinimmatureembryocultureManoY.etal.2002

Resistanceagainstpowderymildew;resistanceagainstleafrustBackesG.·etal.2003MaizeGrainyield,grainmoisture,plantheightHoJ.C.etal.2002

Graindrymillingproperties,compositionandvitreousnessSéneM.2001

DownymildewresistanceAgramaH.A.1999

ResistancetoSporisoriumreilianaLübberstedtT.1999WheatFusariumheadblightresistanceBuerstmayrH.2003

GrainproteincontentPrasadM.2003TomatoPhysicalandchemicaltraitsSaliba-ColombaniV.2001CottonYieldandfiberqualitytraitsUlloM2005

Fiber-relatedtraitsMeiM2004

FiberstrengthZhangTZ2003

AgronomicandfiberqualitytraitsUlloM20002020年9月28日284.1效應(yīng)相反QTL的分布不同效應(yīng)的QTL在各個(gè)親本中的分布較復(fù)雜,許多研究表明,在親本中存在對(duì)立效應(yīng)的QTL,即在高值親本中有減效QTL,低值親本中有增效QTL。有的“感”品種竟含有“極抗”的QTL,其效應(yīng)比“抗”品種中的“抗”QTL還大,只是被緊密連鎖的“感”QTL所掩蓋,發(fā)生重組后才可能被檢測(cè)出來(lái)。這可能是由于不利連鎖所致,它解釋了數(shù)量性狀超親分離的原因。2020年9月28日294.2QTL動(dòng)態(tài)定位按照發(fā)育遺傳學(xué)的理論,基因在個(gè)體發(fā)育的不同階段是有選擇性表達(dá)的。不同發(fā)育階段數(shù)量基因的表達(dá)容易受到與其它基因及與環(huán)境互作的影響。數(shù)量性狀的遺傳表達(dá)與發(fā)育階段密切相關(guān),存在基因表達(dá)的發(fā)育階段性,不同發(fā)育階段的性狀變化是基因的選擇性有序表達(dá)的結(jié)果。2020年9月28日30吳為人等針對(duì)基因在個(gè)體發(fā)育不同階段的選擇性時(shí)空表達(dá)提出了QTL動(dòng)態(tài)定位(dynamicmapping),并利用水稻分蘗模式進(jìn)行了動(dòng)態(tài)定位研究。其他研究者利用水稻株高、水稻干物質(zhì)和葉挺長(zhǎng)、水稻最大根長(zhǎng)也進(jìn)行了類似的研究。2020年9月28日31研究數(shù)量性狀在發(fā)育不同時(shí)段的基因表達(dá)和效應(yīng)進(jìn)行,有助于揭示數(shù)量性狀發(fā)育的分子遺傳機(jī)理。QTL的動(dòng)態(tài)定位能揭示QTL的動(dòng)態(tài)表達(dá),從而可以提高定位的效率。2020年9月28日324.3分離群體分組分析方法的應(yīng)用Michelmore(1991)提出分離群體分組分析方法(BSA法)作為快速鑒別與特定質(zhì)量性狀基因或染色體區(qū)域相連鎖的標(biāo)記已得到廣泛的應(yīng)用;將高值和低值兩組個(gè)體的DNA分別混合,形成兩個(gè)DNA池,然后檢測(cè)兩池間的遺傳多態(tài)性。在兩池間表現(xiàn)出差異的分子標(biāo)記即被認(rèn)為與QTL連鎖。從而可以大幅度減少需要檢測(cè)的DNA樣品的數(shù)量。但該法只能用于單個(gè)性狀的QTL分析,且靈敏度和精確度都較低,一般只能檢測(cè)出效應(yīng)較大的QTL。2020年9月28日334.4QTL比較定位相關(guān)物種的基因組是由共同的原始基因組進(jìn)化而來(lái),因而它們彼此之間存在著一定程度的相似性。相關(guān)物種的基因組在某些區(qū)段上具有共線性,在進(jìn)化過(guò)程中基因的排列順序相當(dāng)保守。因而可以采用同樣一套DNA探針,比較不同物種相似性狀的QTL在連鎖圖上的位置,這就是QTL的比較定位。2020年9月28日345、QTL的精細(xì)定位及克隆

對(duì)QTL研究的一個(gè)重要目標(biāo)就是將QTL上的基因克隆分離出來(lái),用于基因工程操作。目前用于QTL定位的群體一般為初級(jí)定位群體,大多數(shù)QTL定位的精度只在10-20cM,這一精度無(wú)法區(qū)分是單個(gè)基因還是多個(gè)QTL位點(diǎn)連鎖的多基因成分。對(duì)于克隆來(lái)說(shuō)還太粗糙。而且這一基因組區(qū)域很可能包含控制同一性狀的幾個(gè)相反的QTL,這勢(shì)必影響改良的性狀在這一區(qū)域的遺傳獲得量和育種值。2020年9月28日35要提高基于QTL的選擇效果,就必須構(gòu)建次級(jí)定位群體,消除群體內(nèi)背景遺傳因子的干擾。這些群體包括:近等基因系(nearisogeniclines,NIL)、回交近交系群體(backcrossinbredlines,BIL)單片段代換系群體(singlesegmentsubstitutionlines,SSSL)等。2020年9月28日36這類群體是由供體親本與受體親本經(jīng)過(guò)多代回交以后選育形成的,株系間除目的性狀外遺傳背景基本一致??梢詫⑦z傳背景的干擾效應(yīng)降低至最小,極大地提高QTL定位的精度。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)染色體登陸和行走,最終可以實(shí)現(xiàn)QTL的克隆。2020年9月28日37Martin等(1993)首次報(bào)道了以圖譜為基礎(chǔ)的基因克隆在植物上的應(yīng)用:利用抗病、感病的近等基因系雜交獲得F2群體,最終獲得了抗番茄莖腐病的主效基因PTO;其它作物上也有許多重要性狀主效QTL的精細(xì)定位和克隆。

2020年9月28日38目前作物上定位的諸多QTL還很難付諸育種實(shí)踐,這是因?yàn)檫B鎖作圖在分析數(shù)量性狀基因方面存在一些問(wèn)題:(1)QTL檢測(cè)主要依賴一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)親本組合,以

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