生物生态学领域构建和分析进化树的常用R工具包介绍和使用

2023-12-28 10:38:13

构建进化树的需求

在生物生态学领域，构建进化树（也称为系统发生树或谱系树）具有以下几个重要的目的和需求：

  1. 理解物种间的亲缘关系： 进化树揭示了物种之间的演化关系和共同祖先，帮助科学家理解不同物种是如何从共同的祖先分化出来的。这对于研究物种起源、分布和生物多样性至关重要。

  2. 探索生物进化历程： 通过构建进化树，研究人员可以追踪生物类群的历史变迁和演化路径，包括物种形成、灭绝、迁移和适应性辐射等事件。

  3. 估算物种分化时间和事件： 进化树中的节点通常与时间尺度相关联，通过对分子数据（如DNA序列）进行分析，可以估算物种分化的年代和速率，以及关键的演化事件发生的时间。

  4. 研究物种适应性和生态位分化： 进化树结合形态、生态和基因型数据，可以帮助科学家理解物种如何适应不同的环境和生态位，以及这些适应性特征是如何在进化过程中演变的。

  5. 疾病传播和病原体溯源： 在微生物学和传染病研究中，构建病原体的进化树有助于追踪疾病的传播路径，识别病原体的起源和变异，以及评估疫苗和治疗策略的有效性。

  6. 保护生物学和生物多样性管理： 进化树提供了关于物种独特性和遗传多样性的信息，这对于制定保护策略、评估物种濒危状态和规划保护区网络至关重要。

  7. 农业和育种应用： 在植物和动物育种中，了解物种和品种的进化关系可以帮助选择具有优良性状的亲本，优化杂交和选育计划。

  8. 药物发现和生物技术： 进化树可用于研究生物活性化合物的来源和演化，指导药物筛选和生物工程设计。

  9. 教育和科普： 进化树是解释生物演化理论和展示生命之树的直观工具，对于科学教育和公众科普具有重要意义。

  10. 比较方法学和模型测试： 构建进化树也是检验和比较不同分子进化模型、统计方法和技术的有效手段，推动系统发生学和生物信息学的发展。

因此，构建进化树是生物生态学研究的核心组成部分，它为我们理解生命的多样性和演化过程提供了基础框架和重要证据。通过分析和解读进化树，科学家能够揭示生物界的复杂性和动态变化，为保护生物多样性、防治疾病和推动科技进步提供关键的科学依据。

常用进化树构建的R工具包

以下是一些在生物生态学领域构建和分析进化树的R工具包，以及它们的应用场景、数据输入输出格式和简要解释：

  1. ape（Analyses of Phylogenetics and Evolution）：

    • 应用场景：构建和操作进化树，包括树的转换、绘制和统计分析。
    • 数据输入输出格式：常见的新ick、Nexus和PhyloXML格式。
    • 详细解释：ape是R中最常用的进化树处理包，提供了丰富的函数来处理和分析进化树。

  2. phangorn：

    • 应用场景：最大似然法、贝叶斯推断和最大简约法构建进化树，以及模型选择和树的比较。
    • 数据输入输出格式：支持多种格式，如Newick、Nexus和_PHYLIP_。
    • 详细解释：phangorn是一个功能全面的进化树分析包，包含了多种构建和优化树的算法。

  3. phytools：

    • 应用场景：处理和可视化带有特征数据的进化树，进行祖先状态重建和演化模型测试。
    • 数据输入输出格式：支持Newick、Nexus和_PHYLIP_格式的树文件，以及CSV或表格格式的特征数据。
    • 详细解释：phytools特别适合于处理带有额外特征数据的进化树，如形态、基因型或表型数据。

  4. geiger：

    • 应用场景：进行宏进化分析，包括分支特定模型、祖先状态重建和谱系多样性分析。
    • 数据输入输出格式：主要接受ape包中的树对象和相关的特征数据。
    • 详细解释：geiger提供了一系列用于宏进化分析的函数，可以帮助研究者探索物种演化过程中的模式和趋势。

  5. ** diversitree**：

    • 应用场景：分析物种多样性和谱系分化的动态过程，包括 Birth-Death 过程和多元状态演化模型。
    • 数据输入输出格式：接受ape包中的树对象和相关的特征数据。
    • 详细解释：diversitree专注于物种多样性和谱系分化的统计建模，可以用来探究物种形成和灭绝的规律。

  6. picante：

    • 应用场景：计算群落的物种丰富度、多样性指数和相关性分析。
    • 数据输入输出格式：接受社区数据矩阵和进化树对象。
    • 详细解释：picante是一个专门用于生态系统和群落生态学分析的包，结合了物种进化和群落结构的研究。

  7. ade4：

    • 应用场景：多维数据分析，包括主成分分析、聚类和排序方法。
    • 数据输入输出格式：接受各种类型的表格数据和分类数据。
    • 详细解释：ade4是一个通用的数据分析包，包含了许多用于探索性数据分析和统计建模的函数。

  8. mvMORPH：

    • 应用场景：处理和分析多变量形态数据，包括主坐标分析和Procrustes分析。
    • 数据输入输出格式：接受表格形式的形态数据。
    • 详细解释：mvMORPH主要用于形态学研究，可以进行复杂的多变量形态数据分析。

  9. r8s：

    • 应用场景：使用限制性最优化方法估计分子钟参数和节点时间。
    • 数据输入输出格式：接受序列比对文件和Newick格式的树文件。
    • 详细解释：r8s是一个专门用于分子钟分析和节点时间估计的包。

  10. strap：

    • 应用场景：进行系统发育和物种树的联合分析。
    • 数据输入输出格式：接受基因树和物种树的数据。
    • 详细解释：strap用于处理和分析基因树与物种树的关系，尤其是在处理不完全谱系 Sorting 的情况下。

  11. TreeSim：

    • 应用场景：模拟进化树和物种分布过程。
    • 数据输入输出格式：生成和接受Newick格式的树文件。
    • 详细解释：TreeSim是一个用于模拟进化和物种分布过程的包，可以帮助研究者理解进化过程和模式。

  12. TreeSearch：

    • 应用场景：搜索最优的进化树和进行模型选择。
    • 数据输入输出格式：接受和生成Newick格式的树文件。
    • 详细解释：TreeSearch提供了多种搜索和优化树的算法，可以帮助找到最优的进化树。

  13. evobiR：

    • 应用场景：进行表型进化和适应性辐射分析。
    • 数据输入输出格式：接受表格形式的表型数据和进化树对象。
    • 详细解释：evobiR专注于表型进化和适应性辐射的研究，提供了相关的统计方法和可视化工具。

  14. ouch：

    • 应用场景：处理和分析单倍型数据。
    • 数据输入输出格式：接受表格形式的单倍型数据和进化树对象。
    • 详细解释：ouch主要用于单倍型数据的分析，包括单倍型网络的构建和相关统计测试。

  15. pegas：

    • 应用场景：处理和分析种群遗传学数据。
    • 数据输入输出格式：接受表格形式的遗传标记数据和群体信息。
    • 详细解释：pegas提供了一系列用于种群遗传学分析的函数，包括基因流、群体结构和遗传多样性的计算。

  16. adegenet：

    • 应用场景：处理和分析多态性数据，包括主坐标分析和聚类。
    • 数据输入输出格式：接受表格形式的多态性数据。
    • 详细解释：adegenet主要用于遗传标记数据的分析，包括多态性检测和群体结构分析。

  17. poppr：

    • 应用场景：处理和分析具有重复测量的种群遗传学数据。
    • 数据输入输出格式：接受表格形式的遗传标记数据和群体信息。
    • 详细解释：poppr专为含有重复测量的种群遗传学数据设计，提供了相关的统计方法和可视化工具。

  18. phrapl：

    • 应用场景：处理和分析基于区域的系统发育数据。
    • 数据输入输出格式：接受表格形式的区域数据和进化树对象。
    • 详细解释：phrapl主要用于基于区域的系统发育分析，包括区域的划分和进化树的构建。

  19. treeio：

    • 应用场景：读取和写入多种格式的进化树文件。
    • 数据输入输出格式：支持多种格式，如Newick、Nexus、PHYLOXML和NeXML。
    • 详细解释：treeio是一个方便的包，用于处理不同格式的进化树文件。

  20. ggtree：

    • 应用场景：基于ggplot2的进化树可视化。
    • 数据输入输出格式：接受ape包中的树对象，并生成SVG或PDF格式的图形。
    • 详细解释：ggtree提供了一种基于ggplot2的进化树可视化方法，可以创建高度定制化的图形。

以上列出的工具包涵盖了构建和分析进化树的各种方面，从简单的树构建到复杂的宏进化分析。选择哪种工具包取决于你的具体研究问题和数据类型。在使用这些工具包时，通常需要先安装相应的R包，然后按照文档或教程提供的示例代码进行操作。许多工具包还提供了详细的用户手册和示例数据集，以帮助用户快速上手。

?常见进化树格式及其生成软件

  1. Newick (.tre, .nw, .nwk):

    • 软件：PhyML, RAxML, FastTree, MrBayes等
    • 输入：多序列比对文件（如fasta）
    • 输出：文本格式的进化树描述，包含分支长度和节点支持度信息
    • 基本命令示例（RAxML）：raxmlHPC -s aligned_sequences.fasta -n my_tree -m GTRGAMMA

  2. Nexus (.nex):

    • 软件：PAUP*, TNT, MrBayes等
    • 输入：多序列比对文件，可能还包括其他元数据
    • 输出：包含了系统发育分析所需的各种信息，包括序列数据、模型参数、树结构等
    • 基本命令示例（MrBayes）：mb ./my mrbayes.nex

  3. NHX (.nhx):

    • 软件：ETE Toolkit, PhyloXML等
    • 输入：Newick格式的进化树
    • 输出：扩展的Newick格式，包含了更多的元数据和属性信息
    • 示例：无特定生成命令，通常通过脚本或工具将Newick转换为NHX

  4. Phylip (.phy):

    • 软件：PHYLIP, RAxML, IQ-TREE等
    • 输入：多序列比对文件
    • 输出：简洁的文本格式，每行包含一个物种和其对应的序列
    • 基本命令示例（RAxML）：raxmlHPC-PTHREADS -s aligned_sequences.phy -n my_tree -m GTRGAMMA

  5. Jplace (.jplace):

    • 软件：raxml-place, pplacer等
    • 输入：通常是原始的序列数据和一个参考树
    • 输出：JSON格式的文件，包含了每个序列在参考树上的放置信息
    • 示例：无特定生成命令，通常由placement软件生成

  6. Beast (.xml):

    • 软件：BEAST, BEAUti
    • 输入：多序列比对文件和相关参数设置
    • 输出：XML格式的配置文件，包含了用于贝叶斯系统发育推断的所有信息
    • 示例：使用BEAUti图形界面生成配置文件，然后用BEAST运行分析

  7. PhyloXML (.phyloxml):

    • 软件：PhyloXML Tools, ETE Toolkit等
    • 输入：多种格式的系统发育数据
    • 输出：XML格式的文件，详细记录了系统发育树的信息和相关元数据
    • 示例：使用ETE Toolkit的命令行工具将Newick转换为PhyloXML

  8. NeXML (.nexml):

    • 软件：nexml-python, CDAOtools等
    • 输入：多种格式的系统发育数据
    • 输出：XML格式的文件，遵循NeXML标准，包含了系统发育树和相关元数据
    • 示例：使用nexml-python库将Newick转换为NeXML

  9. NHWT (.tre):

    • 软件：Dendroscope
    • 输入：Newick格式的进化树
    • 输出：二进制格式的树文件，用于Dendroscope中的快速加载和可视化
    • 示例：在Dendroscope中直接打开或保存Newick文件为NHWT

  10. PDF / SVG (.pdf, .svg):

    • 软件：FigTree, iTOL, EvolView等
    • 输入：多种格式的系统发育树文件
    • 输出：可缩放的矢量图形格式，用于高质量的出版和展示
    • 示例：在FigTree中打开系统发育树文件并导出为PDF或SVG

  11. CSV / TSV (.csv, .tsv):

    • 软件：自定义脚本，Python库（如ete3, biopython等）
    • 输入：系统发育树和其他相关数据
    • 输出：表格格式的文件，便于数据分析和处理
    • 示例：使用Python脚本从Newick格式的树中提取信息并保存为CSV

  12. JSON (.json):

    • 软件：自定义脚本，JavaScript库（如phylocanvas等）
    • 输入：系统发育树和其他相关数据
    • 输出：轻量级的数据交换格式，便于Web应用程序使用
    • 示例：使用JavaScript库将Newick转换为JSON

?

进化树构建实例

使用ape

以下是一个完整的例子，包括输入数据格式、数据处理步骤和作用的介绍，以及相应的代码和脚本。

输入数据格式：输入数据通常是以fasta格式的序列数据。例如：

>Seq1
ATCGATCGATCG
>Seq2
ATCGATCGTGC
>Seq3
ATCGTAGCTAG
...

每个序列以">"开头，后面跟着序列的标识符（如Seq1），然后是对应的核酸或蛋白质序列。

如果是样品，则>后面应该是样品名称，一般会是物种，下面紧接着是物种对应的barcode或者其他物种相关的序列。?

数据处理步骤和作用：

  1. 读取fasta格式的数据： 使用read.fasta()函数从文件中读取fasta格式的序列数据。这将返回一个列表，其中每个元素代表一个序列，元素的名字是序列的标识符。

  2. 计算序列之间的距离矩阵： 使用dist.dna()或dist.alignment()函数根据DNA或蛋白质序列计算距离矩阵。这个矩阵表示了所有序列之间的差异程度。

  3. 使用距离矩阵构建进化树： 使用nj()函数根据 Neighbor-Joining (NJ) 算法构建进化树。NJ算法是一种基于距离的方法，用于估计物种之间的系统发育关系。

  4. 可视化进化树： 使用plot()函数绘制进化树。可以调整各种参数来美化和注释树。

以下是一个完整的R代码示例：

# 加载ape包
library(ape)

# 读取fasta格式的序列数据
seqs <- read.fasta("sequences.fasta")

# 将序列数据转换为多序列比对对象
alignment <- align.seqs(seqs)

# 计算距离矩阵
dist_matrix <- dist.dna(alignment)

# 使用NJ算法构建进化树
tree <- nj(dist_matrix)

# 可视化进化树
plot(tree, type="unrooted", cex=0.8, label.offset=0.5)

在这个例子中，我们首先加载了ape包，然后读取了一个名为"sequences.fasta"的fasta格式文件。接着，我们将读取的序列数据转换为多序列比对对象，这是进行距离计算的前提。然后，我们计算了基于DNA序列的距离矩阵，并使用NJ算法构建了进化树。最后，我们绘制了未根定的进化树，并调整了标签的大小和偏移量以优化视觉效果。

请注意，实际操作时需要确保fasta文件位于R工作目录下，或者提供完整的文件路径。此外，根据数据的具体情况，可能需要调整距离计算方法和其他参数。

使用Phytools

Phytools是一个R包，用于进化树和物种演化性状的分析。以下是一个使用phytools构建进化树的基本示例，包括输入输出数据格式、数据处理步骤以及完整代码。

输入数据格式：

  • Nexus格式的进化树文件：这是一种常见的格式，用于存储分子系统发生学的数据，包括序列信息和树结构。
  • 物种特征数据（可选）：这可以是CSV或其他格式的表格数据，包含每种物种的特定性状值。
NEXUS格式的进化树文件生成：

?Nexus格式的进化树文件通常是由分子系统发生学软件生成的，这些软件通过分析生物大分子（如DNA、RNA或蛋白质）的序列数据来推断物种之间的进化关系。以下是一个常见的生成Nexus格式进化树文件的步骤：

  1. 收集序列数据：

    • 从公共数据库（如NCBI、Ensembl等）或者实验数据中获取目标物种的特定基因或蛋白质序列。

  2. 序列预处理：

    • 根据需要，可能需要对序列进行一些预处理，包括去除低质量序列、填补缺失数据、校正突变等。

  3. 多序列比对：

    • 使用比对软件（如ClustalW、MAFFT、Muscle等）将收集到的序列进行比对，以确定它们的相似性和差异性。

  4. 模型选择：

    • 选择一个适合你的数据的进化模型。这可以通过软件（如JModelTest、ModelTest等）自动完成，这些软件会根据数据的特性选择最佳模型。

  5. 构建最大似然树（Maximum Likelihood, ML）、贝叶斯推断树（Bayesian Inference, BI）或邻接法（Neighbor-Joining, NJ）：

    • 使用系统发育分析软件（如RAxML、MrBayes、PHYLIP等）基于比对后的序列和选择的模型来构建进化树。

  6. 运行分析：

    • 在所选软件中设置参数并运行分析。这可能需要一段时间，取决于数据的大小和复杂性。

  7. 输出Nexus格式的进化树文件：

    • 分析完成后，大多数软件都允许你将生成的进化树保存为Nexus格式。在软件的输出选项中选择Nexus格式，并指定输出文件的名称和位置。

以下是一个使用RAxML构建Nexus格式进化树的基本命令示例：

raxmlHPC -s aligned_sequences.fasta -n my_tree -m GTRGAMMA -p 12345

在这个例子中，-s指定了输入的fasta格式的比对序列文件，-n指定了输出的树的名称，-m选择了GTR+Gamma模型，-p设置了随机数种子。RAxML将会生成一个名为"my_tree.nex"的Nexus格式的进化树文件。

?物种特征数据格式：

物种特征数据的CSV文件通常包含每种物种的标识符（如物种名称或编号）和一系列相关的性状值。以下是一个简单的物种特征数据CSV文件的例子：

Species,Trait1,Trait2,Trait3
SpeciesA,10.5,Yes,Blue
SpeciesB,8.2,No,Green
SpeciesC,12.1,Yes,Red
SpeciesD,9.8,No,Yellow

在这个例子中：

  • 第一列是"Species"，包含了每个物种的名称。
  • 接下来的列（"Trait1"、"Trait2"和"Trait3"）是不同的性状。这些性状可以是数值型的（如"Trait1"可能是体长或体重），也可以是分类型的（如"Trait2"可能是有无某种特性，用"Yes"和"No"表示）或名义型的（如"Trait3"可能是颜色）。

每一行代表一个特定物种的性状值。例如，第二行表示"SpeciesB"的"Trait1"值为8.2，"Trait2"值为"No"，"Trait3"值为"Green"。

在使用phytools等R包进行分析时，需要确保物种名称在特征数据文件和进化树文件中是一致的，这样才能正确地将性状数据映射到进化树上的物种上。如果物种名称不一致，可能需要进行一些预处理步骤来匹配或重命名物种名称。

数据处理步骤：

  1. 加载必要的R包：首先需要在R环境中安装并加载phytools包。
  2. 读取进化树文件：使用read.nexus函数读取Nexus格式的进化树文件。
  3. （可选）读取物种特征数据：如果要分析物种性状，可以使用read.csv或其他适当的函数读取特征数据。
  4. 将特征数据映射到进化树上：使用trait.data函数将特征数据与进化树上的物种对应起来。
  5. 可视化进化树和性状：使用plotTree或plotSimmap等函数绘制进化树，并可以选择显示物种的性状。

完整R代码示例：

# 加载phytools包
library(phytools)

# 读取Nexus格式的进化树文件
tree <- read.nexus("example_tree.nex")

# （可选）读取物种特征数据
traits <- read.csv("species_traits.csv", header=TRUE)

# 将特征数据映射到进化树上
tree <- trait.data(tree, traits$Trait1, tip.labels=tree$tip.label)

# 可视化进化树和性状
plotTree(tree, type="fan", show.tip.label=TRUE, cex=0.8, label.offset=0.02)

在这个例子中，我们假设有一个名为"example_tree.nex"的Nexus格式的进化树文件，以及一个名为"species_traits.csv"的CSV文件，其中包含物种的性状数据。我们首先读取进化树文件，然后（如果存在的话）读取性状数据，并将性状数据映射到进化树上。最后，我们绘制进化树，并显示物种的标签。

RAxML工具构建

RAxML (Randomized Axelerated Maximum Likelihood) 是一个广泛使用的分子系统发生学工具，主要用于构建最大似然（Maximum Likelihood, ML）进化树。它支持多种模型和优化算法，能够处理大规模的序列数据，并且具有快速、高效的特点。

以下是一个使用RAxML构建最大似然进化树的详细实例脚本：

步骤1：准备输入文件

首先，你需要一个经过多序列比对的fasta格式的文件。例如，你有一个名为 aligned_sequences.fasta 的文件，其中包含了你要分析的物种的基因或蛋白质序列。

步骤2：选择模型和运行RAxML

然后，你可以使用RAxML命令行工具来构建进化树。以下是一个基本的RAxML命令示例：

raxmlHPC -s aligned_sequences.fasta -n my_tree -m GTRGAMMA -p 12345 -N 100

在这个命令中：

  • -s?参数指定了输入的fasta格式的比对序列文件。
  • -n?参数指定了输出的树的名称前缀，这里为 "my_tree"。
  • -m?参数选择了模型，这里选择的是GTR+Gamma模型。RAxML支持多种模型，具体选择应根据你的数据和研究需求。
  • -p?参数设置了随机数种子，用于保证结果的可重复性。你可以设置任何你喜欢的数字。
  • -N?参数指定了进行的Bootstrap复制次数，这里设置为100次。Bootstrap是一种统计方法，用于评估进化树的分支支持度。

这个命令将会生成一个名为 "my_tree.bestTree" 的最优ML树文件和一个名为 "my_tree.bootstraps" 的Bootstrap树文件。

步骤3：解析和可视化结果

你可以使用其他工具（如 FigTree、iTOL 等）来解析和可视化RAxML生成的进化树。以下是一个使用FigTree打开最优ML树的简单命令：

figtree my_tree.bestTree

这将会启动FigTree程序并打开 "my_tree.bestTree" 文件，你可以在图形界面中查看和编辑进化树。

FigTree 介绍

FigTree 是一个用于可视化和分析系统发育树的图形界面软件。它由林肯大学的 Richard Durbin 开发，并广泛应用于生物学、生态学和进化生物学等领域。FigTree 提供了丰富的选项来定制和美化系统发育树，包括颜色、标签、比例、分支样式等。

以下是一个使用 FigTree 的详细使用脚本示例：

步骤1：安装和启动 FigTree

首先，你需要在你的计算机上安装 FigTree。你可以在其官方网站（http://tree.bio.ed.ac.uk/software/figtree/）下载适合你操作系统的版本，并按照安装向导进行安装。

安装完成后，你可以通过以下方式启动 FigTree：

  • 在 Windows 系统中，可以通过开始菜单或桌面快捷方式打开 FigTree。
  • 在 macOS 或 Linux 系统中，可以通过终端运行?java -jar /path/to/FigTree.jar?命令来启动 FigTree。

步骤2：加载系统发育树文件

启动 FigTree 后，你可以通过以下步骤加载系统发育树文件：

  1. 点击菜单栏中的 "File"，然后选择 "Open..."。
  2. 在弹出的文件选择对话框中，找到并选择你的系统发育树文件（通常为?.nex,?.tre,?.nhx,?.xml, 或?.phy?格式），然后点击 "Open"。

步骤3：定制和美化系统发育树

一旦你的系统发育树被加载到 FigTree 中，你可以通过以下方式对其进行定制和美化：

  1. 调整树的布局和样式：

    • 在左侧的 "Appearance" 面板中，你可以选择不同的树布局（如 Radial、Rectangular、Unrooted 等）和分支样式（如 Straight、Curved、Spline 等）。
    • 在 "Colors" 面板中，你可以设置树的不同部分的颜色，如分支、标签、背景等。

  2. 添加和编辑标签：

    • 在左侧的 "Tip Labels" 和 "Node Labels" 面板中，你可以选择显示或隐藏标签，以及设置标签的字体、颜色、大小等属性。
    • 如果你的系统发育树文件包含了性状数据，你还可以在 "Trait Mappings" 面板中选择要显示的性状，并设置其颜色和样式。

  3. 调整图的尺寸和比例：

    • 在顶部的工具栏中，你可以使用缩放和平移工具来调整图的显示范围和比例。
    • 你也可以在 "Size" 面板中设置图的宽度、高度和分辨率。

步骤4：保存和导出结果

完成系统发育树的定制和美化后，你可以通过以下方式保存和导出结果：

  1. 保存 FigTree 项目文件：

    • 点击菜单栏中的 "File"，然后选择 "Save As..."。
    • 在弹出的对话框中，选择保存位置和文件名，然后点击 "Save"。

  2. 导出图片：

    • 点击菜单栏中的 "File"，然后选择 "Export..."
    • 在弹出的对话框中，选择输出格式（如 PNG、JPEG、SVG 等），设置图片的尺寸和质量，然后点击 "Save"。

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文章来源:https://blog.csdn.net/zrc_xiaoguo/article/details/135214413
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