植物木质部导管栓塞
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植物生理 学通 讯 第
44
卷 第
3
期
,
2008
年
6
月
5 8 l
植 物 木 质 部 导 管栓 塞
李卫 民
‘
,
张佳 宝
,
中 国科 学 院 南 京 土 壤 研 究 所
南京
2 10 0 0 8
E
Na
m
b o lis
’
—
m
,
in X y le
—
m
a o
Ve
C h in
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o
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L I W e i M in
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S o il S c ie
n c e
,
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A
c a
de
m
y
S c ie
n c e s
,
Na
n
j
in g 2 1 0 0 0 8
,
a
提 要 : 植 物 木 质 部 栓 塞 直接 影 响 植 物 体 内 的 水 分 传 输
微观 过程
,
,
文 章 对 近 年 来植 物 木 质 部 导 管 栓 塞 的 时 空 分 布 规 律
。
、
栓 塞 修 复的
以
及 根 压 与 作 物 木 质 部 导 管 栓 塞 的 关 系研 究 进 展 作 了 概 述
;
关键 词
:
栓塞; 根压
土壤水分胁 迫
植物 叶片蒸腾 时
,
水 分在植物木 质 部 导 管 中
,
2 0 0 3 )
。
伴 随着栓 塞 的发 生
一
,
叶 片 气 孔 关 闭会 减
一
的 传 输 是 由蒸 腾 拉 力 驱 动 的 质 部 内部 水 柱 的 抗 张 强 度 时 速形成
一
当蒸腾 拉 力超 过 木
少 水 分 的进
步损 失
,
这 是其有利 的
面 (M
e
in
z e r
,
水 柱就 会 断裂 并快
ir
s e e
等
1
2 0 0 1)
。
个扩大 的空腔
,
,
根 据 气 种 假 说 (a
d
.
栓 塞 发 生 的 时空 分 布规 律
in g hy p o th e s is )
空 腔 周 围 组 织 液 中溶 解 的 气 体 经
Y
r e e
、
栓塞 多发 生在 旱季
腾 高 峰 时 (M
明前
,
一
,
天之中
;
,
常发 生在蒸 等
。
过 纹 孔膜进 入 空腔 并阻 断水 分运 输 ( T
Z im
m e r m
和
e
lc he
r
等
200 1
D
o m e c
2006)
。
黎
,
a n n
2002)
、
,
即栓 塞 ( 图 1 )
。
干旱
土壤
所 有 成 熟玉 米根 导 管 都 充 满 液体
,
0 上午 9 : 0
,
质地
、
土 壤养分
e
冻融交替和 机械 损伤 等都会 导
z e r
各种 导管 即 出现 栓塞
速增加
。
随 着 光 照 的增 强 午后
栓塞迅
一
致 植 物 栓 塞 (M
in
等
200 1
;
M
a
y
r
等
2006)
。
到 中午
,
导 管栓塞 达 到 最 大值
。
,
些
根 的后 生 木 质 部 导 管 出现 栓 塞 胁 追 的根 导 管栓 塞 程 度减 轻 塞程 度
一
3 : 0 3
,
低水
,
而 高水胁 迫 下 的栓
,
直 延 续 到傍 晚
c c u
。
到傍晚
。
所 有栓塞 导管
都 得 到 修 复 (M
低
,
lly
等 等
19 9 8 )
黎 明前 根 栓 塞 程 度 在干 旱季节
,
中 午 和 午 后 根 栓 塞 升 高 的趋 势 在 木 本 植 物 中
o m e c
,
也 大 致 如 此 (D
2006
)
。
,
随着
干 旱 程 度 的增 加
根栓塞程 度上 升
o m
根 水 导损 失
。
率可 增加
上午 9: 0 0
20 %
以上 (D
40%
e c
等
2006)
e
根 的 木 质 部 比 茎 枝 的 脆 ~ (M
,
in
z e
r
等
20 0 1)
。
超过
的 导 管 出现 栓 塞
,
然后栓塞
开始下 降
,
当下午木质 部水势最低 和 蒸腾最 高
。
时
图 1 气 泡 形 成 的栓 塞 阻 断 水 流 示 意
,
栓塞 降至 最 低 水平
植 株 不 同部 位 栓 塞 的发 生
度 (L
is lo
一
般 是 随机 的
例 如在 同
,
不
过 导 管 发 育 的状 况 会 影 响 木 质 部 栓 塞 发 生 的难 易 程
栓塞对 植物最 直接 的影 响就 是 阻 断水分在植
o v
o
和
S
c
h u b e r t 19 9 8 )
一
,
茎段
,
物 体 内的运 输
(T y r e
e
,
植物木 质 部 导 水 率 可 下 降
19 9 1)
,
2 0 %
大 直 径 导 管 就 比 小 导 管 更 容 易 发 生 栓 塞 (H a r g r a 等
19 9 4 )
;
v e
和
E
w e r s
干 旱 诱 发 的栓 塞 可 使 植 物
80 %
同
一
年轮 内
,
春 材 比夏材 容 易空 穴化
根 系 水 导 和 气 孔 导度 分 别 损 失 等
20 0 6 )
,
和 4 5 % (D o m
e c
高 山霜 旱 造 成 的水 导 损 失 可 达
e
10 0 %
。
(M a y r 等 2 0 0 6 ) 以 至 死 亡 (T y r e
和
Spe
a n
rr
y 19 8 9 ) Ie p
栓
收稿
资助
。
2 0 0 8 0 1 17
— —
修定
l i @ is
20 0 8 0 5 20
— —
国 家 重 点 基 础 发 展 规 划 项 目( 2
E
—
0 0 5 C B l 2 1 10 3
)
。
塞会 影 响某 些 矿 质 元 素 的吸 收 (V
e r e n
等
m
a
il
:
w m
s a s
.
a c
.
c n
:
T
e
l
:
0 2 5
—
86 8 8 12 60
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植 物 生 理 学通 讯 第 4 4卷 第 3期 ,2 0 0 8年 6月
( ye T re和 S er 9 9 。根 比茎 脆弱 性 高(p ry p r 18 ) y S er
腾 流 的作 用( a n 9 7 。不过 相对 于 导管 穿孔 C n y 19 )
来 说 ,纹 孔要 小 得 多 ,因此 这一 结 果还 有待 进 一
和 Ie a 1 9 ) k d 9 7 ,茎末 端和 枝条 比茎 枝容 易发 生栓 塞( h p t C a oi n等 2 0 ) 0 6 ,茎干 比枝 条容 易发 生栓 塞 ( me 和 G r e 0 3 ,年老树 比幼嫩 树 容易发 Do c at r 0 ) n 2
步 证 实 。如 果 没 有 填 充 细 胞 平 衡 导 管 内 压 力 的 话 ,那 么气 体就 会从 周 围组 织液 中逸 出。 冰冻 扫 描 电镜 观 察 田问 玉 米根 木 质 部 栓 塞 的结 果显 示 , 导管 气泡 可 以 出现在 水柱 截 面 中央 部位 , 也可 以
出现 在 导管壁 ,气 泡 出现 后可 继续 维持 导 管 内水
生栓 塞( o c等 2 0 ) D me 0 5 ,下部 树冠 的节 点 比树冠
顶 部和树 基 部 的栓塞 程度 高 , 下部 树 冠节 点距 形 成层 越远 ,栓塞 程度 越 高 ,而 基部 栓塞 程 度 与形 成层 距 离 的关 系则相 反 ( me 等 2 0 ) Do c 0 5
。 植物栓 塞通 常用 水 导损 失率 表示 ,水 导损 失 常 用压 力室 法测 定 。 用压 力室 法 测定 植物 离 体茎
段 的 水 导 损 失 ,施 加 的 压 力 可 达 4 Pa以 上 M
的流动 ( c l Mc ul y等 19 ) 9 8 。导管 栓塞部 位 由于气 体 填充 平 衡 了原来 的负压 , 而栓 塞 导管 周 围仍处 于 负压 之 下 ,根据 压 力梯 度 ,栓 塞 导管 内的水分 是
流 出, 而不 是重 新注 入 ( i z r 2 0 ) Men e 等 0 1 ,在 这
( hp t C a oi n等 2 0 ) 0 6 。但 测 定过程 中,施 加 的压力
中有很大 一部分被 用在对 压力室 内气体 的压缩 上 ,
种情 况下 的栓塞 导管 内气泡是如何解 除或者溶解 的 呢 ?这 可 能与 导管 上 的纹孔 有 关 ,而 导 管纹 孔 的 几 何 特 征 是 有 助 于 水 压 隔 离 和 气 泡 溶 解 的
f e ic i Hob o k 2 0 ) Zwine k 和 lr o 0 0 。
另 外就 是用 来 克服 组织 渗透 压 。 核磁 共振 研 究确
证 ,平 衡压 中的大 部分 压 力都 被用 在水 分 的侧 向
移 动( i Z mmema n等 2 0 ) r n 0 2 ,因此 ,植 物 水导 损 失 的测 定方 法 尚需 进 一步 改进 。 目前 国内外对 植物 栓塞 时空分 布研 究 已经取
得 很 大 的进 展 , 不 过 这 些 研 究 主 要 关 注 的 是 树 木 ,而对 于干 旱区 时常遭 受土 壤 水分 胁迫 的作物
Ko rd和 R t— b l c 2 0 ,2 0 ) 为 , na ohNe es k(0 3 0 5认 i
栓塞修 复的环节之一是如果纹孔腔 几何形状和纹孔 膜 接触 角 之 间存 在恰 当关 系 时 ,栓 塞 导管水 分 和 气 泡之 间的弯 月 面可 持续 扩大 。研 究针 叶树 纹 孔 的结 果表 明,纹 孔膜 中 间有 增 厚的纹 孔 塞 ,可 封 堵 充气 导管纹 孔 口, 从而 防止 栓塞 的扩 散 ( c e Ha k 等 20 ) h n 0 4 。S a e等(o o  ̄ 胶 颗粒 示踪 结合冰 冻 2 o )L 扫 描 电镜 的观 察 显示 , 玉米 根纹 孔膜 渗 漏 的颗 粒 平 均直 径 为( .+ .) m ,这 意味着 纹孔 膜上 的孔 49 07 n
隙直 径 小 于 5 a m。根 据 T r e和 Zi ye mme ma n r n
来 说,其 栓塞 发 生 的时 空分 布规 律是 什 么 ,迄 今 尚 缺 少 研 究 。对 于 我 国北 方 广 大 旱 区 农 作 物 来
说 ,在土 壤 水分 、养 分 与作 物生 育 期耦 合 的条 件
下 ,加强 作物 栓塞 时空分 布 的研 究会 有助 于 提 高
我 国 北方 旱 区 的 农 田水 分 管 理 。
2 栓塞 与修 复
微观 过程 导管栓 塞修 复 的机 制涉 及到 导管 周 围生 活细 胞 ( 质 部薄 壁 细胞 ) 导管 内外 压 力 差 、导 管 和 木 、
纹 孔 微 结 构 、韧 皮 部 装 载 和 水 通 道 。 Can nY
(0 2给 出的纹孔膜 孔隙大 小和张力关 系可 以计 算 20 )
出, 当纹 孔 膜 最 大孔 隙是 5 a 时 ,气 一 界面 m 水
通 过 该孔 隙 的张 力 接 近 1 0 MP 。纹 孔 直径 越 O a
大 ,纹 孔膜 的透 气 性越 好 ,木 质 部就 越容 易栓 塞 ( ye T re和 E r 19 ) wes 9 1。木 质部 栓塞 导致 导水率下 降, 导水 率损 失百 分数 与木 质 部相 应 水势 的关 系 体现 了木质 部栓 塞 发 生 的难 易 程度 ,通 常用 木质 部栓 塞 脆弱 性表 示 。据此 可 以说 ,纹 孔 和纹 孔膜 在一 定程度 上决 定 了导管发生栓 塞 的脆 弱 Ma r [  ̄( y
等 2 0 ) 06。
( 9 7 认 为 ,水通 道在 叶柄树 液 对 叶片 导管 栓塞 19) 修 复中可 能起作用 。S l o等(9 6认 为生长素 诱 al e 19 ) 导 韧皮 部装 载 的增 加 , 使溶质 进 入栓 塞 导管 , 从 而 降低 了导管渗 透势 。Mc ul cl y等(9 8认 为 导管 19 )
内外 浓 度 差 形成 的渗 透 压 梯 还 不足 以修 复 栓 塞 。
V sl 等 (0 3认 为 ,木质 部 的生活细胞 可 以为栓 ea a 20 ) 塞 修 复 提供 水 分 ,但 还 未 取 得 直接 的实 验 证 据 。 研 究栓 塞修 复 的微 观过 程 , 可有 助 于揭 示栓 塞修
复 的机 制 。
冰 冻 扫描 电镜 是样 品经 液氮 处 理后 于低温 下 用 电镜 对植 物 木质 部进 行静 态 显微 观 察 的, 导 管 中水 分 被液 氮冷 冻 而 结冰 , 因此 很难 区分栓塞 部 位 的水 分流 向,也 难 以判 断栓 塞 部位 究竟 是处 于
导管形 成 空腔 时 ,周 围组织 液 中空 气就 会逸
出以平衡 导 管 内压 力 。冰 冻扫 描 电镜显 示 , 栓塞
发 生 时 填充 细 胞 也 可 能 经 由纹 孔 进 入 栓 塞 部 位 , 填 充 部分 空腔 ,平衡 导 管 内压力 ,从 而起 维持 蒸
栓塞过程还是栓塞修复进程 ,更无法评价栓塞部
位 附 近 的 生 活 细 胞 在 栓 塞 发 生 和 其 修 复 中 的作 用 ;植 物 样 品在 液氮 冰冻 过程 中, 其木 质 部导 管
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植 物生理学通讯 第 4 4卷 第 3期 ,2 0 0 8年 6月
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内 溶 解 的 气 体 还 会 逸 出 并 在 导 管 中 形 成 栓 塞 ( cl Mcul y等 1 9 ) 因而栓塞 研 究 的难 度很 大 。但 9 8,
树 木 低 ,土
壤 水 势 下 降 ,土一 根 水 势 梯 度 减 小 ,
水 分 即很 难 由土 壤进 入 植物 根 系 。 当浅根 系 的作 物 遭 受 严 重干 旱 ,根压 很 小 或没 有根 压 的情 况 下 (i 2 0 ) Lu等 0 5 ,栓塞 对作 物 的危害 就不可 忽视 。土 壤 水 分 状况 影 响 作物 的根 压 ,作 物 根 压又 可 以修
复作 物 栓塞 并 向作物 补 充贮 水 , 白天 土壤 和作 物
在 自然 条 件 下 ,无 论 是栓 塞 的发 生 还 是栓 塞 的修 复 ,都是 一个 动 态过 程 , 因此如 何 改 进冰 冻 扫描 电镜技术 或应用其他 方法对栓 塞的发生与 修复从微
观层 面 上 进行 动 态 的观 察研 究 ,将 会 有 助于 揭 示
栓 塞 的发 生 及 其 修 复 机 制 。
3 根 压 与栓塞 修复 植 物 各 部 位 栓 塞 发 生 由易 到难 依 序 为 :根 >
的水 分 状况 还 会 影 响到作 物 蒸 腾 , 因 此对 作物 来 说 ,根 压是 土壤 水分 调控 作物 水分传 输 的关键 点 。 从 作物 高度 来讲 ,1 — 0 k a的根压 已能够 3 P 0
修 复 栓 塞 ,但 是 , 对 给 定 的 作 物 和 土 壤 , 土 壤
茎> 枝> 端 ,茎 > 枝 茎末 端 ,下部 侧 枝>中部 侧枝 > 上部 侧枝( p r S er y和 Ie a1 9 ;D me k d 9 7 o c和 Gate r r n
2 0 ;C a oi 03 hpt n等 2 0 ;Ma r 2 0 ) 即水 06 y 等 0 6, 势 高 的部位 容 易 发生 栓 塞 。越 靠 近 植 株下 部 ,根 压 对 栓 塞 修 复 的 作 用 可 能 更 重 要 ( e nz r等 M i e 2 0 ) 由于 根压 是 正 压 力 ,可 对 负 压 导 致 的栓 0 1, 塞进 行修 复 。根 压一 般 是春 天 高夏 天 低 ,黎 明前 高 白天低 ( Ewe s 1 9 ;Ti b tS Ewe s r等 97 b et 和 r
2 0) 00 。
水 分 和 作物 根 压之 间究竟 是 一 个什 么 样 的数 量 关 系 ,值得 研 究 ,这 对 找 出 降低 无效 蒸 腾和 作 物 栓
塞 修 复 两 者之 间 的最 佳 结 合 点 来 说尤 为 必 要 。
4 结语
综 上所 述 , 尽管 栓塞 对 植物 水 分传 输 影响 及
其 发 生和 修 复机 制 的研 究 取 得 了一 些进 展 ,但 仍 有 些 问题 还 不 清 楚 , 以下 几 个 问题 值 得 深 入 研 究 :( ) 物栓 塞 的发生 与 修 复 。应 在微 米 和纳 米 1植 水平 上研 究植物输 水管道 的特 征与栓塞 发生及修 复 的关 系 ,尤 其 是纹 孔膜 的形 态特 征 在栓 塞 发 生与 修 复过 程 中的作 用 更值 得 探 索 。植 物 导 管直 径 都
是 微米 级 , 纹孔 直 径 一般 是 几微 米 , 纹 孔
膜 上 微
根 压对 植物 栓 塞 的修 复 受两 方 面 的 限制 。 一
是 导 管 中 水 柱 高 度 的 限 制 , 一 般 植 物 根 压 只 有 0 1MP ,对 于 高度 为 1 3 m 的作物 来 说 ,这 一 . a —
压 力 完全 可 以修 复 栓塞 ;但 考 虑 到导 管 内水 柱 每 升 高 1 0m,其对 导管底 部增 加 的压 力为 01MP , . a
而 树木 一 般 都 高达 十几 米 甚 至几 十 米 , 根 压对 栓
孔 直径 是 几纳 米 ,随着 尺 度 的缩 小 ,导 管水 分 传 输 的 比表 面效 应 越大 ,管 道 特 征对 水 分 以及 气体
传输 的影 响越 大 。纹孔 和 纹 孔膜 微 孔在 栓 塞发 生
塞 修 复 的贡献 微 乎其 微 ( rigo 9 7 wes Dal tn 1 9 ;E r n 等 19 ) 9 7 ,即根 压对作 物栓 塞 的修复 作用 远远 大于 其 对树 木 栓塞 的修 复作 用 。从 另一 方 面 来讲 ,在
一
和 修 复 过程 中 的作用 ,可 用 微 型传 感器 结 合粒 子
追 踪成像 等新技术在微 米和纳米 水平上对栓 塞发生
般水 分 条件 下 ,树木 遭 受 栓塞 危 害 的 可能 性远
与修 复 过 程 进 行动 态 观 察 。 2 作物 栓塞 与 修 复机 ()
制 。可 针对 我 国北方 广 大 旱 区的主 要 农 作物 进 行
远大于作物遭受的栓塞 危害,这可能是人们对于
栓 塞 的研 究多 集 中于 树 木 的 原 因 。
研 究 ,研 究作 物 栓塞 、根 压和 土 壤 水分 三 者之 间 的互 动 关系 。在 土壤 干 旱 条件 下 , 作物 发 生栓 塞
的可 能性 增 加 ,而根 压 是 正压 力 , 有助 于修 复 作 物 栓 塞 。拟 以研 究不 同土壤 水 分条 件 下不 同生 育 期 的 作 物 根 、 茎 、 叶 中 栓 塞 发 生 的 内外 生 理 基
根 区水分 状 况是 限制 根 压对 栓 塞 修 复 的第 二
个 因素 。水 从 土 壤进 入 根木 质 部 导管 是 水势 差 驱 动 的 , 对 于 根 下 扎 较 深 的 树 木 来 说 ( 长 星 等 赵
2 0) 0 4 ,根 接触 高土 壤 水 势 的机 会 更 多 , 根一 土
水势 的梯 度 就 越大 , 因而 水可 很 快 由土 壤 进入 植
础 ,对 水 分 管 理减 轻栓 塞给 作物 带 来 的危 害 , 无
疑 是有意 义 的。
参考 文 献
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植 物 生 理 学通 讯 第 4 4卷 第 3期 ,2 0 年 6月 08
赵 长星 , 西 平 , 岁 歧,叶清 , T DLEE 邓 张 S EU ,山仑 (0 4 物 根 20)植
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t a n e s n: o ss e wa e ufe a l t rd fc t ? he r i y s a o d e t m t rb f rd iy wa e e i is Pl ntCe l En r ,2 a l vion 9: 1 21 0 0 -1 32
Men e C, l awae , lsen G ( 0 1 . ae a s o t n izr F Ce r t J God ti 2 0 ) W trt n p r i r r
t e s cu r t r e : r en pe s ec i s ne r p t ve , w i i ht a s ns g s nd om e
c ntov r i s o r e s e .En r n Ex t vio p Bo ,45 :23 2 9- 62
M e c r PJ l he ,G o ds e n G ,M e n e F l ti i z r C,Yo t DE,J ne , un o s TJ
Dal g o B, l s a A, t F ( 9 7 fe t o c e sn ri t n A Hai k Da n n J 1 9 ) E f cs fi r a ig n
s t r to a o rp e s r e c to r a u a i n v p u r s u e d f i n g owt n i h a d ABA e e s l v l
Ho b o k NM, a g C ( 0 Wa e eain f o s l lro Hu n X 2 0 ) 1 tr lt s a t r o o c a
a d e t a i e Rh z ph r n e n s u r n i o o a ma gl :xy e p e s r t n i l l m r s u e po e ta a d d n m i sofe ols f ma i n a e a r n y a c mb i m or to nd r p i.Oe o o i , c l ga
l 6:l 2-l 2 2 8 9
i ba ksr c n c ie T e s l : 2 - 2 n lc pu ea dj kpn . re , l 2 3 2 8 a
D me C, rn rB (0 3 . l t n hp b t e r wt ae o cJ Gat e L 2 0 ) Reai s i ewe n g o h rts o
a y e hy r u i ha a t rs i s i ou g,m a u e a
d nd x l m d a l c c r c e i tc n y n tr n
ol g owt d- r h pon e o a p n r e .P a t Cel En r ,2 d r s i e te s l n l vion 6: 471— 3 48
S l oS L l al , oGul MA, a l Z p o M (9 6 . y e rc v r e o DeP oi ip 1 9 ) X l , m e o ey
f o c vi to -n c d e b ls i o ng p a t fL r s r m a t i n i du e m o im n y u l n s o au u a n ii :a p s i e me h n s . w y o ,1 2 7- 6 ob l s o sbl c a i m Ne Ph t l 3 :4 5
Do c C, r y , r e me P u nML Gat r J n BL( 0 5 . il n da r fl 2 0 ) Axa dr il o e a a p i s
i o d c i ii s n c n u tv t ,wa e t r g n a i e e o i m n tun e t rs o a e a d n tv mb ls i r ks
o o g a d o d g o t n r s n r e .Pl n l f y un n l - r w h po de o a pi e t e s a tCe l En r ,28:1 0 vion 3-1 3 1 1 1
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T r eMT, p ry J 1 8 ) Vun r b l yo ye t a i t n ye S e S(
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Ha g a eKR Ko b KJ E r W , v sS ( 4 Co d i r r v , l , we sF Da i D 1 9 ) 9 n ut
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Gr e e( a it e . w h tl 2 : 9 - 0 e n L b a a ) Ne P y o ,l 6 6 5 7 5 Ko r dW , oh N b l c ( 0 3 h y a c fg sb b ls n a R t- e es kA 2 0 ) T ed n miso a u b e i
i o d t f v s ul rp a t nd i lc to o m b ls n c n ui o a c a l n s a mp i a i nsf r e o im s r p i .J Th o o .2 4:43 l e a r e r Bi 1 2
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L u F An e s n MN, a o s n S J n e i , d re J c b e E, e s n CR ( 0 5 . t ma a 2 0 ) S o tl c n r l n tru ee f in yo o b a Gl iema o to dwae s fi e c f y e n( y n xL. a c s c
Me s n)d r g p o r s i es i d y n vr n E p Bo , r e . u i r g e sv o l r i g En io x t n
5 :33 4O 4 —
Zi mmem a n U, h ed rH, e n rLH, a n rHJ S i e ig r n Sc n ie W g e W g e , zmtnn s
M , a eA, e t p F ( 0 2 . h t r ed i igf r e Ha s B nr 2 0 ) W a et r n c s u a h v o
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3 27~ 5 33
L v s l S h b r ( 9 8 . fe t o tr t s n v s e o ioo C, c u et A 1 9 ) E f cs f wae r so e s l se
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