房 涵, 劉 梅, 王寶杰, 蔣克勇, 王 雷
飼料中添加戊糖乳桿菌HC-2對黃曲霉毒素B1刺激下的凡納對蝦肝胰腺顯微結構、基因表達及酶活性的影響
房 涵1, 3, 劉 梅1, 2, 4, 王寶杰1, 2, 4, 蔣克勇1, 2, 4, 王 雷1, 2, 4
(1. 中國科學院海洋研究所 中國科學院實驗海洋生物學重點實驗室, 山東 青島 266071; 2. 青島海洋科學與技術國家實驗室 海洋生物學與生物技術功能實驗室, 山東 青島 266237; 3. 中國科學院大學, 北京 100049; 4. 中國科學院 海洋大科學中心, 山東 青島 266071)
為探究飼料中添加戊糖乳桿菌HC-2對黃曲霉毒素B1(AFB1)刺激下的凡納對蝦肝胰腺顯微結構、基因表達及肝胰腺酶活性的影響, 將健康的凡納對蝦(900尾)隨機分成三組, 分別投喂基礎飼料、添加AFB1(500 μg/kg)飼料以及添加AFB1(500 μg/kg)+戊糖乳桿菌HC-2(5 × 108CFU/g)飼料6周。在試驗結束后, 分別取三組對蝦的肝胰腺進行顯微觀察以及免疫相關基因和肝胰腺酶活性的測定。AFB1+HC-2組肝胰腺組織同AFB1組相比損傷程度較輕。同對照組相比, AFB1組和AFB1+HC-2組的肝胰腺免疫基因的相對表達量均呈現(xiàn)顯著下調(<0.05), 且同AFB1組相比, AFB1+HC-2組的免疫相關基因的相對表達量下調的較少(<0.05)。同對照組相比, AFB1組和AFB1+HC-2組的堿性磷酸酶活性(AKP)明顯上升, 且AFB1+HC-2組的AKP活性要高于AFB1組。同對照組相比, AFB1組和AFB1+HC-2組中谷胱甘肽巰基轉移酶(GST)活性明顯升高但兩組間無顯著性差異, 超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)活性在AFB1組和AFB1+HC-2組間無顯著性差異, 且三組的總抗氧化能力(T-AOC)無顯著性差異。研究認為飼料中添加戊糖乳桿菌HC-2對AFB1刺激下的凡納對蝦肝胰腺組織結構有一定程度的保護作用, 對部分免疫基因和堿性磷酸酶活性有顯著影響, 但對肝胰腺總抗氧化能力沒有顯著影響。
凡納對蝦; 戊糖乳桿菌HC-2; 黃曲霉毒素B1; 基因表達; 肝胰腺酶活
我國對蝦養(yǎng)殖產量位居世界第一, 其中凡納對蝦()是養(yǎng)殖規(guī)模最大的對蝦品種。但是在現(xiàn)代高密度集約化養(yǎng)殖過程中, 水環(huán)境、對蝦種質、飼料品質以及病害等多方面因素常常造成對蝦養(yǎng)殖業(yè)的嚴重損失。飼料受潮發(fā)霉產生的黃曲霉毒素是影響飼養(yǎng)生物的生長和健康的嚴重危害之一, 其中以黃曲霉毒素B1(AFB1)的危害尤為嚴重。黃曲霉毒素是黃曲霉和寄生曲霉的次生代謝產物, 廣泛存在于貯存不當?shù)陌l(fā)霉飼料和食品中[1-2]。飼料中的黃曲霉毒素污染, 特別是AFB1的高毒性, 導致養(yǎng)殖動物的產量和經濟效益降低, 長期以來是水產養(yǎng)殖業(yè)特別關注的問題。
肝胰腺是蝦類消化和免疫系統(tǒng)的主要器官, 根據(jù)對AFB1致癌作用的研究, 肝胰腺是代謝從外界攝入的AFB1的主要器官。肝胰腺主要功能與消化酶及免疫分子的合成與分泌、營養(yǎng)物質的吸收、貯藏和排泄有關[3]。益生菌在水產養(yǎng)殖和陸生動物中的應用, 可以顯著提高養(yǎng)殖動物的存活率和生長性能[4-5], 戊糖乳桿菌HC-2是本實驗室篩選的一株益生菌, 在之前的研究中發(fā)現(xiàn)其具有高黏附性和抗菌活性, 在蝦腸內能夠黏附和定殖并競爭性地消滅病原弧菌, 促進有益菌的生長, 增強免疫反應, 保護對蝦免受病原體的侵害[6-7]。
目前益生菌在水產養(yǎng)殖中的研究多集中在其對養(yǎng)殖生物生長性能以及抗菌能力方面, 而益生菌對受AFB1影響的生物的保護作用機制的研究有所欠缺。本實驗室前期工作中已分別對戊糖乳桿菌HC-2的益生作用以及黃曲霉毒素AFB1對對蝦的損傷機理進行了較為深入的研究, 并發(fā)現(xiàn)添加HC-2可顯著降低AFB1導致的對蝦死亡率。本研究在前期工作基礎上, 探討益生菌在降低黃曲霉毒素對水產動物毒性損傷中的作用機制。通過觀察對肝胰腺顯微結構、分析對肝胰腺相關免疫基因表達及抗氧化酶活性的影響, 從組織、基因表達及生理層面上探究戊糖乳桿菌HC-2對在AFB1刺激下的凡納對蝦肝胰腺的影響, 為益生菌在水產養(yǎng)殖中的推廣應用、降低黃曲霉毒素對水產養(yǎng)殖造成的損失提供理論依據(jù)和指導策略, 為對蝦的健康養(yǎng)殖提供科學有效的數(shù)據(jù)。
實驗所用的凡納對蝦均由青島瑞茲海珍品有限公司提供, 900只健康對蝦[(6.2±0.3) g]隨機均分到9個水族箱(400 L), 分為3組, 所有對蝦均暫養(yǎng)在鹽度30.5, pH 7.5~8.0, 溫度25~29℃, 溶解氧含量5.4~6.2 mg/L的天然海水中, 持續(xù)通氣, 每日早晚換兩次水, 每次換水量為50%, 投喂煙臺大樂飼料有限公司生產的凡納對蝦飼料(42.3%的蛋白質, 7.2%的脂肪, 11.6%的水和15.5%的灰分)暫養(yǎng)1周。每日在6: 00、13: 00、20: 00進行投喂, 每日投喂量為體質量的5%。
實驗分為3組, 分別是對照組、AFB1組、AFB1+HC-2組, AFB1組的餌料以基礎飼料添加黃曲霉毒素B1(500 μg/kg), 具體操作: 先將AFB1溶解于氯仿中, 加入魚油混勻, 后置于37℃水浴中加熱2 h以蒸發(fā)多余的氯仿, 再將含有AFB1的魚油添加到飼料中。AFB1+HC-2組在AFB1組的基礎上均勻噴灑戊糖乳桿菌HC-2菌懸液, 通過測定培養(yǎng)的戊糖乳桿菌HC-2的濃度, 根據(jù)5 × 108CFU/g濃度計算添加量, 然后離心后用海水吹懸噴灑在飼料中從而制成菌終濃度為5 × 108CFU/g的含菌飼料, 每周制備一次以保證菌的活力。對照組飼料在基礎飼料的基礎上添加同實驗組等量的魚油。三組飼料在4℃冰箱中貯存。每日在6: 00、13: 00、20: 00投喂, 每日投喂量為體質量的5%, 投喂6周后取樣。
將對蝦的肝胰腺組織放入10%福爾馬林中固定24小時, 在一系列乙醇濃度梯度中脫水(50%~95%), 并嵌入石蠟中。切片后將組織部分(5 μm厚)用蘇木精和伊紅染色, 然后顯微鏡(奧林巴斯CKX41)觀察分析肝胰腺結構。
在6周的養(yǎng)殖試驗結束時, 從每個水族箱中取3只對蝦, 將肝胰腺分離后取直徑約5 mm的組織分別保存在裝有RNA保護液的樣品管中, 在4℃箱中保存12小時后, 移到–80℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>
總RNA提取: 用TaKaRa MiniBEST Universal RNA Extraction Kit (大連寶生物工程有限公司)試劑盒提取肝胰腺組織總RNA, 操作步驟按說明書進行。用NanoDrop2000(Thermo)對所提取RNA進行檢測, 用A260/280比測定RNA的質量。
RNA反轉: 采用TransScript One-Step gDNA Re-moval and cDNA Synthesis Kit試劑盒(全式金生物科技有限公司)進行cDNA的合成, 操作步驟按說明書進行。反應條件: 42℃維持30 min, 85℃加熱5 min, –80℃保存。
實時熒光定量PCR(qRT-PCR): 采用TransStar Top Green qRT-PCR Supermix(北京全式金生物科技有限公司)試劑盒進行相關基因表達的測定, 操作步驟按說明書進行。本研究使用的引物如表1所示,基因被用來作為內參基因。實驗所用的引物由擎科生物技術有限公司合成(表1), 用2–ΔΔCt方法來計算分析基因的差異表達水平。
表1 熒光定量PCR分析所用引物及序列
續(xù)表
在試驗結束后每個水族箱分別取3只對蝦肝胰腺混樣, –80℃冰箱保存, 用于堿性磷酸酶(AKP)、總抗氧化能力(T-AOC)、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)活性的測定。操作步驟按照酶活性測定試劑盒(南京建成生物工程研究所)說明書進行。
數(shù)據(jù)均采用“平均值±標準差”表示。用SPSS 18.0統(tǒng)計軟件中的單因素變量方差分析方法(One-Way ANOVA)對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析。<0.05代表差異顯著。
如圖1所示,同對照組相比, 在AFB1組和AFB1+ HC-2組中對蝦的肝胰腺出現(xiàn)組織學改變。在AFB1組中, 肝胰腺的肌上皮層與上皮細胞有明顯的分離, 部分個體內腔星形多邊形結構消失, 此外, 還出現(xiàn)空泡化細胞和細胞溶解。在AFB1+HC-2中, 也有部分細胞內腔星型多邊形結構消失, 肝胰腺肌上皮層與上皮細胞分離, 但同AFB1組相比, 肝胰腺的損傷程度較輕。
圖1 凡納對蝦肝胰腺的組織形態(tài)學分析
注: a: 對照組; b: AFB1組; c: AFB1+HC-2組。其中BM: 基膜; R: 存儲單元; B: 分泌細胞; 三角形: 多灶性壞死伴組織丟失
如圖2所示, 同對照組相比, AFB1組和AFB1+ HC-2組的肝胰腺免疫基因的相對表達量均呈現(xiàn)顯著下調。同AFB1組相比, AFB1+HC-2組的免疫相關基因的相對表達量下調的較少, 而兩組的免疫相關基因的相對表達量無顯著性差異。
圖2 肝胰腺相關免疫基因Rab、GST、mucin-like PM、Dorsal、Relish、Pro-PO的表達情況
注: 不同字母代表存在顯著性差異(< 0.05)
如圖3所示, 同對照組相比, AFB1組和AFB1+ HC-2組的堿性磷酸酶活性(AKP)明顯上升, 且AFB1+ HC-2組的活性要高于AFB1組。同對照組相比, AFB1組和AFB1+HC-2組中谷胱甘肽巰基轉移酶(GST)活性明顯升高, 而超氧化物歧化酶(SOD)活性同對照組相比沒有顯著性差異, 過氧化氫酶(CAT)活性同對照組相比明顯下降, AFB1組和AFB1+HC-2組無顯著性差異, 對照組和實驗組的總抗氧化能力(T-AOC)沒有顯著性差異。
圖3 肝胰腺酶活性變化
黃曲霉毒素B1在水產養(yǎng)殖中的影響是較為常見的, AFB1具有強致癌性、致畸性和免疫抑制作用, 往往會導致養(yǎng)殖生物產量和質量的下降, 攝入AFB1污染的食品, 對人類健康也構成潛在威脅[8-9]。目前, 關于AFB1在水產養(yǎng)殖方面的研究多集中在AFB1對養(yǎng)殖生物的毒性作用上, 但對如何降低AFB1對養(yǎng)殖生物的危害上研究較少。之前有研究表明, 戊糖乳桿菌HC-2可以在一定程度上增強凡納對蝦對病原菌的抵抗力[7], 但戊糖乳桿菌HC-2對在AFB1刺激下的水產生物是否有保護作用以及其作用機理尚未有研究。
肝胰腺是對蝦主要的免疫器官, 也是黃曲霉毒素B1作用的靶器官, 在以往的研究中發(fā)現(xiàn), 飼喂含AFB1(5 mg/kg)的飼料12天對凡納對蝦的肝胰腺組織有嚴重的損傷作用, 肝胰腺的肌上皮層與上皮細胞之間存在明顯的分離, 腔內的儲存細胞、分泌細胞和星形多邊形結構均消失并壞死[10]。Yu等[11]發(fā)現(xiàn)飼喂AFB1(500 μg/kg)的飼料56天后, 凡納對蝦的肝胰腺分泌細胞的粗面內質網明顯腫脹、囊泡化, 并且出現(xiàn)大液泡, 線粒體數(shù)量減少的現(xiàn)象。本研究發(fā)現(xiàn)AFB1破壞了肝胰腺組織結構, AFB1(500 μg/kg)組的凡納對蝦肝胰腺的肌上皮層與上皮細胞有明顯的分離, 部分個體內腔星形多邊形結構消失, 此外, 還出現(xiàn)空泡化細胞和細胞溶解。在AFB1(500 μg/kg)+HC-2 (5×108CFU/g)組中, 也有部分細胞內腔星型多邊形結構消失, 肝胰腺肌上皮層與上皮細胞分離, 但損傷程度同AFB1組相比較輕, 說明戊糖乳桿菌HC-2在一定程度上減輕了AFB1所致的肝胰腺組織損傷。
Rab蛋白在細胞內轉運、真核細胞外膜轉運、吞噬體形成和成熟等過程中起重要作用[12]。Wu等[13]證明Rab蛋白可能在蝦對病毒感染的免疫應答中發(fā)揮重要作用。Wang[10]等研究發(fā)現(xiàn)在飼喂AFB1(5 mg/kg) 后對蝦的肝胰腺基因表達上調, 說明蝦的免疫系統(tǒng)通過調節(jié)基因的表達來激活細胞吞噬過程。在本研究中, 同對照組相比,在AFB1(500 μg/kg)組和AFB1(500 μg/kg)+HC-2(5 × 108CFU/g)組中的表達量明顯下調, 兩組之間的表達量沒有顯著性差異, 與上述文獻研究結果不同, 推測可能是由于本研究中投喂AFB1時間周期較長, 毒素的累積已經對對蝦免疫系統(tǒng)造成損傷, 從而導致基因表達量下調。是一種圍食膜因子, 是腸道化學屏障的重要組成部分[14]。是IMD通路下游的核轉錄因子, IMD通路是無脊椎動物用來抵御細菌和病毒的重要免疫通路[15]。Qi等[16]研究表明, 投喂凡納對蝦AFB1(15 mg/kg)后,基因表達量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。在本研究中, 同對照組相比, 肝胰腺和在AFB1(500 μg/kg)組和AFB1(500 μg/kg)+HC-2(5 × 108CFU/g)組中的表達量明顯下調, 推測在長期投喂AFB1后, 對蝦的部分免疫功能和IMD免疫通路受到損傷, 所以和表達量下調。
是Toll通路下游的核轉錄因子, 在某些特定條件下能夠啟動抗菌肽基因的轉錄[17]。Qi等[16]發(fā)現(xiàn)投喂AFB1(15 mg/kg)后, 凡納對蝦腸基因被顯著誘導, 在第二天和第四天表達量最高, 并在之后出現(xiàn)回落的趨勢。在本研究中, 同對照組相比,基因在AFB1(500 μg/kg)組和AFB1(500μg/kg)+ HC-2(5 × 108CFU/g)組中的表達量皆明顯下調, 但相比較于AFB1+HC-2組, AFB1組的下調量較大, 推測在長期投喂AFB1后凡納對蝦的免疫通路Toll受到損傷, 因此基因表達量下調, 同時戊糖乳桿菌HC-2的添加對免疫通路Toll在一定程度上起到了保護作用。酚氧化酶原(Pro-PO)系統(tǒng)是一種包括模式識別蛋白、絲氨酸蛋白酶、絲氨酸蛋白酶抑制劑、酚氧化酶原等在內的酚化級聯(lián)反應[18], 是甲殼動物的重要免疫防御系統(tǒng), 在本研究中,基因基因在AFB1(500 μg/kg)組和AFB1(500 μg/kg)+HC-2(5×108CFU/g)組中的表達量皆明顯下調, 但相比較于AFB1+HC-2組, AFB1組的下調量較大, 推測在長期投喂AFB1后凡納對蝦的酚氧化酶原系統(tǒng)受到損傷, 因此基因表達量下調, 同時戊糖乳桿菌HC-2的添加對酚氧化酶原系統(tǒng)在一定程度上起到了保護作用。由本實驗結果推斷, 在長期投喂AFB1后, 凡納對蝦的免疫系統(tǒng)受到了一定程度的損傷, 戊糖乳桿菌HC-2的添加對Toll通路和酚氧化酶原系統(tǒng)起到了一定的保護作用, 從而在一定程度上保護了對蝦的肝胰腺組織。
機體的抗氧化能力依賴于機體的抗氧化酶系統(tǒng), 當機體接觸AFB1時, 在有氧代謝過程中會產生活性氧(ROS)的過表達, 造成氧化損傷, 氧化裂解是甲殼動物對抗產生大量ROS的入侵生物的重要防御機制, 活性氧在宿主防御中發(fā)揮重要作用[19], 但過量產生活性氧和殘留活性氧會對細胞和組織造成嚴重損害, 為了保護自身免受ROS的傷害, 細胞已經形成了一套抗氧化防御系統(tǒng), 幾種重要的抗氧化酶包括SOD、CAT和GST等在保護細胞免受氧化應激和預防或修復氧化損傷方面具有重要作用[20-21]。Wang等[22]發(fā)現(xiàn)投喂凡納對蝦AFB1(5 mg/kg)30天內, 同對照組相比, 肝胰腺SOD、CAT和GST酶活性皆明顯上升, 總體呈先上升后下降趨勢, 原因可能是AFB1引發(fā)了凡納對蝦的抗氧化防御系統(tǒng), 但隨著AFB1的長期投喂引起了抗氧化系統(tǒng)的損傷。在本研究中, 對照組和實驗組的SOD、T-AOC活性無顯著性差異, 同對照組相比, 實驗組CAT活性降低, 且AFB1組和AFB1+HC-2組CAT活性無顯著性差異, AFB1組和AFB1+HC-2組的GST活性相較于對照組上升, 且兩組間無顯著性差異, 推測原因是AFB1激發(fā)GST抗氧化系統(tǒng), 使得GST活性升高, 同時引起細胞內ROS含量增加, 當細胞內H2O2濃度超過CAT的清除能力時, CAT的構象轉變?yōu)榉腔钚苑€(wěn)定狀態(tài), 酶活性逐漸降低[23], 且戊糖乳桿菌HC-2的添加沒有對受AFB1刺激下的凡納對蝦肝胰腺總抗氧化能力產生明顯影響。堿性磷酸酶(AKP)是一種在堿性環(huán)境中催化磷酸酯水解, 參與轉移磷酸集團, 同時作為動物溶酶體的重要組分, 在免疫反應中發(fā)揮重要作用[24]。當病毒感染對蝦組織細胞后, 胞內肌質網膨大擴張甚至斷裂, AKP陽性顆粒和AKP陽性反應的髓樣小體在細胞質中被檢測到[25]。何亞男等[26]研究表明, 半乳甘露寡糖、半乳甘露寡糖+乳酸菌能顯著增加大鼠十二指腸及腸黏膜內AKP的活性, 堿性磷酸酶活性的增強表明小腸對營養(yǎng)物質吸收功能的增強。在本研究中, 同對照組相比, AFB1組和AFB1+HC-2組的堿性磷酸酶(AKP)活性明顯升高, 且AFB1+HC-2組的活性要明顯高于AFB1組, 推測原因可能是AFB1感染對蝦后引發(fā)肝胰腺細胞免疫反應從而導致AKP活性升高, 同時戊糖乳桿菌HC-2的添加也增加了AKP的活性, 反映出戊糖乳桿菌HC-2可能主要通過激活免疫反應保護凡納對蝦的肝胰腺。
本實驗首次探究在飼料中添加戊糖乳桿菌HC-2對在AFB1刺激下的凡納對蝦肝胰腺組織、免疫基因及肝胰腺酶活性的影響。實驗結果表明, 戊糖乳桿菌HC-2對在AFB1刺激下的凡納對蝦肝胰腺組織結構具有一定程度的保護作用, 并對某些免疫相關通路的基因進行調控, 對肝胰腺總抗氧化能力沒有明顯影響, 但對肝胰腺堿性磷酸酶活性有顯著影響。由此推斷: (1) 戊糖乳桿菌HC-2降低黃曲霉毒素AFB1對養(yǎng)殖對蝦的毒害作用與其對肝胰腺的保護作用相關。(2) 該保護作用主要通過激活或保護肝胰腺的免疫應答而非抗氧化機能實現(xiàn)。本研究的結果為利用益生菌降低飼料及原料中AFB1對對蝦的危害提供理論依據(jù)。
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Effects ofHC-2 on the morphology of hepatopancreas, immunity-related genes, and enzyme activity ofaffected by aflatoxin B1
FANG Han1, 3, LIU Mei1, 2, 4, WANG Bao-jie1, 2, 4, JIANG Ke-yong1, 2, 4, WANG Lei1, 2, 4
(1. CAS Key Laboratory of Experimental Marine Biology, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Laboratory for Marine Biology and Biotechnology, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266237, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4. Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)
To explore effects ofHC-2 on the hepatopancreas morphology, immune-related genes, and enzyme activity ofaffected by aflatoxin B1 (AFB1), shrimps were fed with formulated feeds containing AFB1 (500 μg/kg), AFB1 (500 μg/kg) +HC-2 (5 × 108CFU/g), and a basal commercial diet (control group) respectively. At the end of the experiment, the morphology of the hepatopancreas, expression of immune-related genes, and activity of hepatopancreas enzymes were detected. The hepatopancreas morphology of the AFB1 +HC-2 group suffered less damage than that of the AFB1 group. The relative expression of immune-related genes (Rab, glutathione S-transferase [GST], mucin-like PM, Dorsal, Relish, and Pro – PO) in the AFB1 and AFB1 + HC-2 groups was significantly lower than in the control group (<0.05), and the relative expression of immune-related genes (GST, Dorsal, and Pro – PO) in the AFB1+HC-2 group was higher than in the AFB1 group (<0.05). The activity of alkaline phosphatase (AKP) increased significantly in the AFB1 and AFB1+HC-2 groups compared with that in the control group, and the activity of AKP in the AFB1+HC-2 group was higher than in the AFB1 group. The activity of GST increased in the AFB1 and AFB1+HC-2 groups compared with that in the control group, and there was no significant difference in the AFB1+HC-2 and AFB1 groups. The activity of superoxide dismutase and catalase has no significant difference between the AFB1 and AFB1+HC-2 groups, and the total antioxidant capacity (T-AOC) has no significant difference between the control and experimental groups. We concluded thatHC-2 had a positive effect on the hepatopancreas structure of shrimps stimulated by AFB1 and induced a significant effect on some immune genes and AKP activity but had no significant effect on the T-AOC of the hepatopancreas.
HC-2aflatoxin B1; gene expression; enzyme activity of hepatopancreas
Mar. 12, 2020
S968.22
A
1000-3096(2020)11-0065-07
10.11759/hykx20200312002
2020-03-12;
2020-03-18
國家重點研發(fā)計劃課題(2019YFD0900401);山東省重大科技創(chuàng)新工程專項課題(2018SDKKJ0502-2)
[Supported by National Key R&D Program of China, No. 2019YFD0900401; Major Scientific and Technological Innovation Project, Shandong Province, China, No. 2018SDKJ0502-2]
房涵(1994-),女,山東濰坊人,碩士研究生,主要從事水產養(yǎng)殖病害防控的研究,電話:0532-82898723,E-mail:fanghana163@ 163.com;王雷(1966-),通信作者,E-mail:leiwang@qdio.ac.cn
(本文編輯: 楊 悅)