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⑷、水分运动的方式:
①、扩散:
是一种自发过程,指分子的随机热运动所造成的物质从浓度高的区域向浓度低的
区域移动,是物质顺着浓度梯度进行的。
适合于水分短距离(如细胞间)的迁徙,不适
合于长距离(如树干导管)的迁徙。
②、集流:
是指液体中成群的原子或分子在压力梯度下共同移动。
③、渗透:
一种特殊的扩散,指水分子通过半透膜的扩散
→→Ⅰ、渗透作用:
水分从水势高的系统通过半透膜向水势低的系统移动的现象。
Ⅱ、要产生渗透作用必须具备两个条件:
一是具有一层半透膜;
二是半透膜两侧溶液具有水势差(浓度差)。
Ⅲ、半透膜:
只让水分子通过,而不能使任何溶质分子或离子透过的膜,如蚕豆种皮、膀胱、火棉胶、羊皮纸等
Ⅳ、渗透系统:
能够产生渗透作用的系统
Ⅴ、植物细胞是一个渗透系统,细胞壁是全透性的。
质膜和液泡膜都是选择性透过膜。
原生质层(质膜+细胞质+
液泡膜)看作是一层选择透过性膜。
液泡具有水势。
如果该细胞的液泡溶液与其外界环境的溶液之间有水势
差,则液泡中的溶液、原生质层、细胞外溶液,三者就构成了一个渗透系统,就可发生渗透作用。
Ⅵ、质壁分离:
植物细胞由于液泡失水而使原生质体与细胞壁分离的现象,只有活细
胞才能发生质壁分离。
④、水分进入细胞的途径
Ⅰ、单个水分子:
通过膜脂双分子层的间隙进入细胞;
(扩散)
Ⅱ、水集流:
通过质膜上水孔蛋白中的水通道进入细胞。
Ⅲ、水孔蛋白/水通道蛋白的存在降低了水分在跨膜运输时的阻力。
Ⅳ、水孔蛋白的功能:
1、便于水分在细胞内的运输2、参与调整细胞内的渗透势3、可能参与水分的长距离运输。
⑸、植物细胞的水势
①、一个典型植物细胞的水势构成为:
Ψw=Ψs+Ψp+Ψm
Ψs:
一个具有液泡的成熟细胞其细胞液与纯水相比,细胞液由于溶质的存在使其水势降低,这种由于溶质的存在而使水势降低的值称为渗透势或溶质势(负值)。
溶质颗粒越多、溶液越浓,渗透势(Ψs)越低。
Ψp:
由于细胞壁压力的存在而引起的细胞水势增加的值叫压力势。
以Ψp表示,其值为正值。
Ψm:
细胞亲水胶体也有吸水的本领,这种由于细胞胶体物质的亲水性和毛细管(在细胞壁中的微小孔道)对水束缚(吸引)而引起的水势降低值(负值)称为衬质势。
②、成熟的植物细胞体积的变化与ψw、ψS和ψP之间的关系如下:
a、细胞初始质壁分离时,Ψp=0,Ψw=Ψs;
b、当细胞吸水,体积增大时,ψw、ψS和ψP三者均增大;
当细胞失水,体积减小时,ψw、ψS和ψP三者均减小
c、当细胞吸水达到饱和时,Ψw=0,|ψS|=|ψP|(但符号相反),不吸水;
d、当叶片细胞剧烈蒸腾时(即气相状态下),ψw、ψS和ψP三者均为负值,但Ψw<Ψs,ψP<0。
⑹、植物细胞的吸水(类型、方向):
①、吸胀吸水:
未形成液泡的细胞;
②、渗透性吸水:
具中心液泡的成熟细胞;
③、代谢性吸水:
直接消耗能量,即利用代谢能量吸收水分。
④、水分移动的方向:
总是从水势高的区域向水势低
的区域移动。
4、植物根系对水分的吸收
⑴、①、根系吸水的部位:
主要在根尖根毛区。
②、根毛区有许多根毛,增大吸收面积;
同时根毛细胞壁的外部是由果胶质组成,粘性强,亲水性好,有利于
与土壤颗粒粘着和吸水;
而且根毛区的输导组织发达,对水分移动的阻力小。
所以根毛区吸水能力最大。
③、根毛的寿命很短,一般仅有几天,随着根的不断向前生长,新的根毛又会不断形成,根的吸水区就会随根
的生长而向富水区不断转移。
④、根系吸收水的途径
Ⅰ:
质外体途径:
指水分通过细胞壁、细胞间隙等没有细胞质的部分移动,这种移动方式对水分的运输阻力很
小,速度快。
Ⅱ:
共质体途径:
水分从一个细胞的细胞质经过胞间连丝,移动到另一个细胞的细胞质,形成一个细胞质的连续
体,对水分传导的阻力很大,移动速度较慢。
⑵、①、根系吸收水分的动力(机制):
细胞与细胞或细胞与外液的水势差(ΔΨW)。
→→动力:
根压-----主动吸水蒸腾拉力-----被动吸水
②、根压:
由于根系的代谢生理活动而使液流由根部上升的压力,称为根压。
这种吸水
过程称之为主动吸水。
③、伤流:
从受伤或折断的植物组织溢出液体的现象。
流出的汁液叫伤流液。
吐水:
从未受伤叶片尖端或叶缘的水孔向外溢出液滴的现象。
④、伤流和吐水现象可证明根压的存在。
⑤、蒸腾拉力:
因叶片蒸腾作用而产生的一系列水势梯度使导管中水分上升的力量,称为蒸腾拉力。
它是叶组
织与茎导管之间的水势差。
4、植物体内水分的散失—蒸腾作用
→→植物散失水分的方式有两种吐水:
以液体状态散失到体外。
蒸腾作用:
以气体状态散失到体外。
⑴、蒸腾作用的概念,生理意义及方式
①、概念:
植物体内的水分以气态方式从植物的表面向外界散失的过程。
它是植物散失水分
的主要方式。
②、蒸腾作用的生理意义:
第一,是植物吸收和运输水分的主要动力。
特别是对于高大的植
物,没有蒸腾作用,较高处就无法得到水分
第二:
能降低植物体和叶片的温度。
避免高温损伤。
第三:
蒸腾作用引起的上升液流,有助于根部吸收的矿物质和根中合成的有机物转运到
植物体的各个部分。
③、植物蒸腾作用的部位(方式)
幼小:
暴露在地面上的全部表面长大:
茎枝:
皮孔蒸腾
叶片:
角质蒸腾,气孔蒸腾(角质蒸腾在叶片蒸腾中所占的比重,与角质层厚薄有关。
★:
小孔扩散原理——小孔律
→气体通过大孔的扩散速率与孔的面积成正比。
→气体通过小孔的扩散速率不与小孔的面积成正比,而与小孔的周长成正比,这就
是小孔律。
小孔扩散也称周长扩散。
解释:
【在任何蒸发面上,气体分子除经过表面扩散外,还沿边缘向外扩散。
在边缘处,气体分子相互碰撞的机会
少,因而它们的扩散速度就比在扩散表面的中间部分要快。
当扩散表面的面积较大(例如大孔),边缘与面积的比值即很小,扩散分子主要从面积上出去,所以,经
过大孔的扩散速度与孔的面积成正比。
当扩散表面的面积小时,边缘与面积的比值即大,经边缘的扩散量就占较大的比重。
孔越小,经边缘的扩散量所占比重就越大-边缘效应。
叶表面的气孔就是这样的小孔,所以在气孔张开时,通过气孔的蒸腾速率很高。
】
(2)、气孔运动的原因:
主要是保卫细胞的吸水膨胀或失水收缩。
A、双子叶植物:
当保卫细胞吸水膨胀时,较薄的外壁易于伸长,细胞向外弯曲,但微纤丝难以伸长,于是将力量作用于内壁,把内壁拉过来,于是气孔张开;
当保卫细胞失水时体积缩小,胞壁拉直,气孔关闭。
B、禾本科植物:
当保卫细胞两端的哑铃球吸水膨胀变大时,微纤丝限制两端胞壁纵向伸长,而改为横向膨大,这样就将两个保卫细胞的中部推开,于是气孔张开。
C、气孔张开——保卫细胞吸水——水势降低——渗透物质积累(增大保卫细胞溶质的浓度)。
(3)、气孔运动的调节机理(制)
①、淀粉与糖转化学说:
保卫细胞的叶绿体在光下进行光合作用,消耗CO2,使细胞内pH升高到7,淀粉磷酸化酶便水解淀粉成葡萄糖(该酶在pH6.1-7.3时促进淀粉水解作用),细胞中葡萄糖浓度增大,水势下降,保卫细胞吸水膨胀,气孔开放;
相反,暗中细胞呼吸产生CO2,pH降低,葡萄糖合成淀粉,溶质浓度降低,水势升高,保卫细胞失水,气孔关闭。
②、K+累积学说:
A、保卫细胞质膜上存在的H+-ATPase在光下被激活,水解由光合磷酸化和氧化磷酸化生成的ATP。
产生的能量将H+从保卫细胞分泌到周围细胞中,保卫细胞pH升高,质膜内侧的电势变得更负,驱动K+从周围细胞经过保卫细胞质膜上的内向K+通道进入保卫细胞,保卫细胞K+浓度增加,水势降低,保卫细胞吸水,气孔张开。
B、在K+进入细胞的同时,还伴随着Cl-的进入,以维持保卫细胞电中性。
保卫细胞积累较多的K+和Cl-引起水势降低,保卫细胞吸水膨胀,气孔张开。
暗中,K+扩散出保卫细胞,水势升高,细胞失水收缩,气孔关闭。
③、苹果酸代谢学说:
A、在光照下,保卫细胞内的部分CO2被利用时,pH值升至8.0~8.5,从而活化了PEP羧化酶,催化由淀粉降解产生的PEP与CO2结合形成草酰乙酸,并进一步被NAD(P)H还原为苹果酸。
B、苹果酸解离为2H+和苹果酸根,在H+/K+泵驱使下,H+与K+交换,保卫细胞内K+浓度增加,水势降低;
苹果酸根进入液泡和C1-共同与K+在电学上保持平衡。
同时,苹果酸的存在还可降低水势,促使保卫细胞吸水,气孔张开。
当叶片由光下转入暗处时,过程逆转。
④、总述:
三个学说的本质都是通过渗透调节来控制保卫细胞的水势,即通过糖、苹果酸、K+、Cl-等进入保卫细胞,使保卫细胞水势下降,吸水膨胀,气孔张开。
(4)、影响气孔运动的因素
①内源节律对气孔运动的调节
②植物激素对气孔运动的调节:
细胞分裂素(CTK)促进气孔张开,而脱落酸(ABA)促进气孔关闭。
③环境因子对气孔运动的调节
光照:
光照使气孔开放,黑暗使气孔关闭。
CO2浓度:
叶片内部低的CO2分压可使气孔张开,高CO2则使气孔关闭
温度:
在一定温度范围内,气孔开度一般随温度的上升而增大。
在25℃以上时气孔开度最大,30oC~35oC时
气孔开度会减小,35oC以上关闭。
水分:
叶片水势降低时,气孔开度减小或关闭。
风:
大风能加快蒸腾作用,使保卫细胞失水过多而促进气孔关闭。
微风有利于蒸腾和气孔开放。
(5)、蒸腾作用的度量(指标)及测定方法
①、指标:
(1)蒸腾速率(度)(蒸腾强度transpirationrate):
植物在一定时间内单位叶面积上散失的水量。
常用
的单位是:
g/m2·
h
②、水分运输的途径
土壤中的水分→根毛→根的皮层、内皮层→根的中柱鞘、中柱薄壁细胞→根的导管→茎的导管→叶柄导管→叶脉导管→叶肉细胞→叶肉细胞间隙→气孔下室(气室)→气孔→大气。
③、光照过强时,气孔关闭,蒸腾减弱,蒸腾拉力减小,被动吸水减少;
光合受抑制,有机物质不足,影响根系生
长及代谢活动,影响根系的主动吸水。
第二章植物的矿质营养
1、必需元素的主要生理作用
①、是细胞结构物质的组成成分;
②、是生命活动的调节者,参与酶的活动;
③、起电化学作用和渗透调节作用,即离子浓度的平衡、胶体稳定和电荷中和等。
④、作为细胞内信使参与信号转导。
2、植物对矿质元素的吸收与运输
①溶质跨膜吸收的方式:
A、被动吸收:
不需要代谢提供能量,顺电化学势梯度而吸收矿质元素的过程,主要是通过扩散作用进行的。
非代
谢性吸收。
B、主动吸收:
要利用呼吸释放的能量才能逆电化学势梯度吸收矿质元素的过程。
C、化学势梯度:
膜两侧某溶质的浓度差构成该溶质的浓度梯度,此浓度梯度亦即该溶质的化学势梯度。
D、电势梯度:
膜两侧某溶质的电荷差构成该溶质的电势差,即电势梯度。
E、电化学势梯度:
膜两侧带电荷溶质既有电势梯度,同时又有化学势梯度。
二者合称为电化学势梯度。
②、生物膜或叫细胞膜:
指由脂类和蛋白质组成的具有一定结构和生理功能的胞内所有被膜的总称。
质膜:
原生质的外膜。
内膜:
细胞器的膜。
③、膜的结构:
流动镶嵌模型→→生物膜结构的基本特点是:
膜一般是由磷脂双分子层和镶嵌的蛋白质组成,磷
脂分子的亲水性头部位于膜的表面,疏水性尾部在膜的内部。
④、膜蛋白包括两种
膜外在蛋白:
与膜的外表面相连的蛋白质,称为亦称周围蛋白;
膜内在蛋白:
镶嵌在磷脂之间,甚至穿透膜的内在表面,也称螯合蛋白
⑤、被动吸收
Ⅰ扩散作用:
物质顺其电化学势梯度移动的现象。
扩散不会导致物质逆其电化学势的积累。
Ⅱ、分子扩散:
动力是化学势(溶质的化学势)梯度,即膜两侧的浓度差。
Ⅲ、离子扩散:
动力是电化学势梯度,包括化学势梯度和电势梯度。
Ⅳ、简单(单纯)扩散:
某物质(溶质)不需要其他物质辅助,而顺其电化学势梯度进行的跨膜转移。
即不通过蛋
白质介导的跨膜扩散。
Ⅴ、协助扩散(又称易化扩散):
某物质(溶质)通过扩散作用跨膜转移时,需要膜上的某些特殊蛋白质(膜传递
蛋白)的帮助(协助)。
不需要消耗能量ATP。
Ⅵ、区分溶质是经离子通道还是经载体进行转运:
经通道进行的转运是一种扩散过程,无饱和现象;
经载体进行的
转运则依赖于溶质与载体特殊的结合,因结合部位的数量有限,所以有饱和现象。
⑥、主动运输:
植物细胞逆着电化学势梯度,消耗代谢能量(通过载体的主动转运需要ATP提供能量),有选择性
的吸收养分过程就叫主动吸收。
(主动吸收的三个特点)。
3、植物对矿质元素的吸收
①、离子进入根部导管有两条:
质外体(自由空间)途径:
也称自由空间运输,通常限于内皮层以外。
在根的幼嫩部分离子和水分可经质外
体到达导管。
共质体途径:
离子进入导管后,主要靠水的集流而运到地上器官,其动力为蒸腾拉力和根压。
②、根系对水和矿质盐的吸收既相关又相对独立(有关又无关)
Ⅰ、相关性(即有关)表现在两个方面:
以肥济水:
矿质盐必须溶解在水中才能被根系吸收和运输;
矿质盐被根细胞吸收后,细胞的ψW就降低,又
促进吸水。
以水调肥:
水分蒸腾,增加了水势差,促进了养料在导管中的传导,也促进了养料的吸收。
Ⅱ、相对独立(即无关)表现在两者的吸收机理不同:
根系吸水主要是由蒸腾作用引起的被动吸水为主,根系吸
收矿质盐主要是以消耗能量的主动吸收为主。
植物的吸盐量和吸水量不存在直线依赖关系。
③、单盐毒害:
任何植物,若在单一盐溶液中培养,即使该盐的阴阳离子都是植物的必需元素,最终会导致植物受害
死亡,这种单一盐溶液对植物的毒害现象称为单盐毒害。
离子拮抗:
若在单盐溶液中加入少量其它盐类,就会减弱或消除毒害,离子间这种能够相互消除毒害的现象称
为离子拮抗。
平衡溶液:
由多种盐按一定比例组合而成的能使植物良好生长的溶液称为平衡溶液。
4、影响根部吸收矿质元素的因素
①、内部条件:
根系的发达程度、代谢强弱、植物的遗传特性(种类)等
②、外界条件:
Ⅰ、土壤温度:
影响根系的呼吸作用影响矿质的主动吸收;
影响酶的活性;
影响细胞质粘性高温下根系老化(木栓
化)加快,吸收面积减小;
酶钝化;
原生质透性增大,离子外渗,净吸收量减少。
Ⅱ、土壤通气状况:
直接影响根系的呼吸作用因而会影响主动吸收;
土壤CO2浓度过高会导致根系进行无氧呼吸;
土壤积水过多、土壤板结等会造成根部缺氧,吸收减慢。
Ⅲ、溶液浓度:
农业生产上一次性施用化学肥料过多,不仅有烧伤植物的弊病,同时根部也吸收不了,造成浪费。
离子
吸收的饱和现象:
离子交换时吸附表面形成单分子层时即达饱和。
Ⅳ、土壤pH值
5、氢离子浓度(土壤溶液的pH值)
①影响细胞质蛋白质的带电性—直接影响:
蛋白质是两性电解质,在弱酸性(pH降低)环境中,氨基酸带
正电荷,易于吸附外界溶液中的阴离子;
在弱碱性(pH升高)环境中,氨基酸带负电荷,易于吸附外界溶液中的
阳离子。
②影响矿物质的溶解性——间接影响(大)
碱性增强时,Fe、Ca、Mg、Cu、Zn等呈不溶态,植物的利用量少;
在酸性环境中,PO43-、K+、Ca2+、
Mg2+等易溶解,易被雨水淋走;
Al、Fe、Mn等溶解度增大,造成毒害。
③影响土壤微生物的活动—间接影响
如根瘤菌(偏酸死亡)、自身固氮菌、反硝化菌(偏碱活跃,氮素损失大)等的活动。
6、试述根系吸收矿质元素的过程。
答题要点
(1)离子被吸附在根系细胞的表面。
离子交换有两种方式:
根与土壤溶液的离子交换;
接触交换。
(2)离子进入根部导管。
有质外体途径和共质体途径。
7、试述植物根系吸收的矿质元素是如何从膜外转运到膜内的
①、可通过扩散或协助扩散(通过离子通道或载体)进行顺电化学势梯度的被动转运,不需细胞供能。
主动利用ATP
酶水解释放的代谢能,进行原初主动运转或次级共运转。
②、经通道进行的转运是一种简单的扩散过程,没有饱和现象;
经载体进行的转运则依赖于溶质与载体特殊的结合,
因结合部位的数量有限,所以有饱和现象。
③、载体、单向传递体可以是主动的,也可以是被动的。
区分时主要看其转运是否需细胞提供能量。
8、光照如何影响根系对矿质(水分)的吸收?
答题要点:
影响光合;
光合增加呼吸基质;
影响气温,进一步影响地温;
影响气孔开度。
第三章植物的光合作用
☆植物碳素同化作用(自养植物吸收二氧化碳(CO2),合成有机物质的过程),有三种类型:
①、细菌光合作用—光合细菌(包括绿色硫细菌、紫色硫细菌和紫色非硫细菌)在光照下利用硫化氢、异丙醇等
无机或有机的还原剂,把CO2还原为有机物。
②、绿色植物光合作用—绿色植物在光下同化CO2和H2O,合成有机物质(主要是碳水化合物)并释放O2的过程。
③、化能合成作用—一些不含色素的好气性细菌(如氢细菌、硫细菌、氨细菌、硝化细菌等),不能利用日光,但
能用硫化氢、氢、氨等物质氧化时所放出的化学能去同化CO2。
一、光合作用的意义(重要性)
1.把无机物变成有机物,既为自身又为生物界提供了有机物来源。
2.把光能转化为储存的化学能,光合作用是巨大的能量转换过程。
3.保护环境,净化空气,光合作用维持大气中O2和CO2浓度的相对平衡,净化空气,保护环境。
4.光合作用的碳循环过程,带动了自然界其他元素的循环。
光合作用是地球上生命生存、繁荣和发展的根本源泉。
二、叶绿体和光合色素
㈠、叶绿体的结构
1、叶绿体膜:
双层膜,外膜透性大,内膜有选择透性,是控制代谢物质进出的屏障
2、间质(基质):
可溶性蛋白质及其它代谢活跃物质。
呈高度流动状态,酶系统便存在于其中。
光合产物的碳素同化
过程就在间质中进行。
3、片层系统(绿色层膜系统—类囊体):
基质片层(基质类囊体)、基粒(基粒类囊体)
4、光能的吸收与转化:
基粒(由多个类囊体垛叠组成)、基质类囊体(贯穿在两个或两个以上基粒之间没有发生垛叠
的类囊体,其片层称为基质片层)。
㈡、叶绿素的生物合成及其与环境条件的关系
1、叶绿素的生物合成
第一阶段:
与光无关,是酶促反应阶段;
由谷氨酸或α-酮戊二酸——>
δ-氨基-γ-酮戊酸(ALA)——>
胆色素
原——>
卟啉原—>
Mg-原卟啉——>
原叶绿素酸酯。
第二阶段:
需光,是光还原阶段。
原叶绿酸酯——>
叶绿素酸酯——>
叶绿素a叶绿素a可转化为叶绿素b
2、影响叶绿素合成的环境条件
(1)光照是影响叶绿素合成的主要条件:
从原叶绿素酸酯转变为叶绿酸酯需要光,而光过强,叶绿素又会受光氧化
而破坏。
【一般植物在黑暗中生长都不能合成叶绿素,因此,黑暗中生长的幼苗呈黄白色,遮光或埋在土中的茎叶也呈黄
白色。
这种因缺乏某些条件而影响叶绿素形成,使叶子发黄的现象,称为黄化现象。
(2)温度叶绿素的生物合成是一系列酶促反应,受温度影响。
(3)矿质元素氮和镁是叶绿素的组成成分,铁、锰、铜、锌等是叶绿素的生物合成过程中某些酶的活化剂。
(4)氧气(5)水分:
缺水可抑制叶绿素的生物合成,与蛋白质合成受阻有关,加速原
有叶绿素的分解。
(6)遗传因素控制
3、光合作用的机理
㈠、光合作用的全过程
光合作用的实质是将光能转变成化学能。
光能→电能→活跃化学能→稳定的化学能。
根据能量转变的性质,将光合作用分为三个阶段:
1.光能的吸收、传递和转换成电能,主要由原初反应完成;
2.电能转变为活跃化学能,由电子传递和光合磷酸化完成;
3.活跃的化学能转变为稳定的化学能,由碳同化完成。
㈡、原初反应
1、原初反应是指光合色素对光能的吸收、传递与转换成电能的过程。
2、特点:
速度极快;
与温度无关。
3、进行的部位:
类囊体膜(光合膜)上。
4、聚光色素(天线色素):
没有光化学活性,只能吸收光能并将其传递给作用中心的色素分子。
5、反应中心色素:
少数特殊状态的,具有光化学活性的叶绿素a分子。
又称为作用中心色素,既能捕获光能又能将
光能转换为电能。
6、叶绿体色素的功能:
①、吸收和传递光能(天线色素);
②、少数特殊的叶绿素a:
(作用中心色素)吸收从天线色素传递过来的能量用于推动光化学反应的进行,将光能转化为电能。
③、类胡萝卜素除了收集光能外,还有防止叶绿素的光氧化作用(防止多余光照伤害叶绿素)。
7、原初反应的过程:
波长在400~700nm的可见光照射植物时,存在于类囊体膜上的天线色素将光能吸收和传递到反应中心后,使反应中心色素分子(P)激发而成为激发态(P*),不稳定,易失去电子呈氧化态P+;
原初电子受体(A)接受电子而被还原A-;
反应中心色素分子又从原初电子供体(D)夺取电子而复原,而原初电子供体却被氧化D+。
这样不断地氧化还原(电荷分离),就不断地把电子从原初电子供体送给原初电子受体。
这就完成了光能转换为电能的过程。
D·
P·
A→D·
P*·
P+·
A-→D+·
A-
㈢、光合电子传递和光合磷酸化
1、类囊体膜上有两种光系统:
PSⅠ和PSⅡ,两者的区别为:
光系统I(PSⅠ) 光系统II(PSⅡ)
①.、颗粒小,直径11nm颗粒大,直径为17.5nm
②、仅存在于基质片层和基主要存在于基粒片层
粒片层的非垛叠区 的垛叠区
③、作用中心色素分子为P700作用中心色素
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