Выбор оптимального метода скрининга генофонда люпина узколистного из коллекции ВИР по качественному и количественному составам алкалоидов семян

Люпин узколистный (Lupinus аngustifolius L.) – широко возделываемая кормовая и сидеральная зернобобовая культура с продовольственным потенциалом. Однако наличие в семенах люпина вторичных метаболитов – алкалоидов – значительно влияет на качество получаемого сырья, снижая его питательную ценность. Кроме того, высокие концентрации алкалоидов токсичны для человека и животных. Поэтому для селекции люпина актуальны сведения об изменчивости содержания алкалоидов в семенах у разных генотипов и поиск в генофонде источников их низкой концентрации. Коллекция генетических ресурсов люпина узколистного Всероссийского института генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова предоставляет широкие возможности для такого поиска на основе массового скрининга. В свою очередь масштабный скрининг генофонда предполагает выбор оптимального метода оценки содержания алкалоидов в семенах: легко воспроизводимого, наиболее доступного с финансовой точки зрения и наименее трудо- и времязатратного. Представлены результаты поиска такого метода. Сравнивали качественные и количественные показатели при извлечении целевых веществ многокомпонентными смесями и отдельными реагентами (хлороформом, метанолом) и анализе экстрактов посредством газовой хроматографии, сопряженной с масс-спектрометрией. Также использовали высокоэффективную жидкостную хроматографию с масс-спектрометрией. Обнаружены пять алкалоидов, присутствовавших в экстрактах всех типов: люпанин и 13-гидроксилюпанин (доминирующие), ангустифолин, спартеин и изолюпанин. Наиболее полное извлечение алкалоидов отмечено при использовании экстрагента с добавлением щелочного агента – 425 мг/100 г. Минимальная экстракция зарегистрирована при извлечении хлороформом – 216 мг/100 г. Достоверность отличий подтверждена статистически.

1. Adejoke H.T., Louis H., Amusan O.O., Apebende G. A Review on Classes, Extraction, Purification and Pharmaceutical Importance of Plants Alkaloids. J. Med. Chem. Sci. 2019;2(4):130-139. https://doi.org/0.26655/JMCHEMSCI.2019.8.2.

2. Ageeva P.A., Pochutina N.А., Pigareva S.A. Comparative characteristics of grain and green mass quality of fodder narrow-leafed lupin varieties. Adaptivnoe Kormoproizvodstvo = Adaptive Fodder Production. 2018;1:42-48. (in Russian)

3. Аrtyukhov А.I. Lupin species adaptation to agrolandscape of Russia. Zernobobovye i Krupyanye Kultury = Legumes and Groat crops. 2015;1(13):60-67. (in Russian)

4. Cheeke P.R., Kelly J.D. Metabolism, toxicity and nutritional implications of quinolizidine (lupin) alkaloids. In: Recent advances of research in antinutritional factors in legume seeds. Material of 1st International Workshop on Antinutritional Factors (ANF) in Legume Seeds. Netherlands, 1989;189-201.

5. Couch J. Relative Toxicity of the Lupine Alkaloids. J. Agric. Res. 1926; XXXII:51-67.

6. Erdemoglu N., Ozkan S., Tosun F. Alkaloid profile and antimicrobial activity of Lupinus angustifolius L. alkaloid extract. Phytochem Rev. 2007;6(1):197-201. https://doi.org/10.1007/s11101-006-9055-8.

7. Ermakov A.I., Arasimovich V.V., Yarosh N.P., Peruanski Y.V., Lukovnikova G.A., Ikonnikova M.I. Methods of biochemical study of plants. Leningrad, 1987. (in Russian)

8. Frick K.M., Kamphuis L.G., Siddique K.H., Singh K.B., Foley R.C. Quinolizidine alkaloid biosynthesis in lupins and prospects for grain quality improvement. Front. Plant Sci. 2017;8(87):1-12. https://doi.org/10.3389/fpls.2017.00087.

9. Hatzold T., Elmadfa I., Gross R., Wink M., Hartmann T., Witte L. Quinolizidine alkaloids in seeds of Lupinus mutabilis. J. Agric. Food Chemistry. 1983;31(5):934-938. https://doi.org/10.1021/jf00119a003.

10. Islam S., Ma W., Ma J., Buirchell B.J., Appels R., Yan G. Diversity of seed protein among the Australian narrow-leafed lupin (Lupinus angustifolius L.) cultivars. Crop Past. Sci. 2011;62(9):765-775. https://doi.org/10.1071/CP11046.

11. Korol’ V.F., Lahmotkina G.N. The use of ultrasound in the isolation of antialimentary substances from lupine grain. Yuzhno-Sibirskiy Nauchnyy Vestnik = South Siberian Scientific Bulletin. 2018;1(21): 27-34. (in Russian)

12. Krasilnikov V.N., Pankina I.A. Study of the chemical composition and technological properties of narrow-leafed lupine seeds with the aim of creating combined food products. Proceedings of the international conference “The problem of vegetable protein deficiency and ways to overcome it.” Minsk, 2006;119-122. (in Russian)

13. Kuptsov N.S., Takunov I.P. Lupin (Genetic, selection, heterogeneous sowing). Bryansk, 2006. (in Russian)

14. Kurlovich B.S., Repiev S.I., Shchelko L.G., Budanova V.I., Petrova M.V., Buravtseva T.V., Stankevich A.K., Leokenе L.V., Benken I.I., Rybnikova V.A., Kartuzova L.T., Zolotov S.V., Alexandrova T.G., Debely G.A., Taranuho G.I., Teplyakova T.E., Malysh L.K. The gene pool and breeding of legumes (lupins, vetch, soy, beans). St. Petersburg, 1995;9-116. (in Russian)

15. Markova O.M., Karpenko V.A., Sayshkina A.S., Likhota T.T. Use of physicochemical methods in the analysis of pharmaceuticals of a vegetative origin. Bulletin of Voronezh State University. Series: Chemistry. Biology. Pharmacy. 2003;1:99-100. (in Russian)

16. Mironenko A.V. Methods for the determination of alkaloids. Minsk, 1966;182 p.

17. Orekhov A.P. Chemistry of alkaloids. Moscow, 1955. (in Russian)

18. Pankina I.A., Borisova L.M. Аlkaloidness investigation of Lupin seeds. Scientific journal ITMO University. Series “Processes and Food Production Equipment.” 2015;4:80-87. (in Russian)

19. Popova N.V., Potoroko I.Yu. Increase of efficiency of biologically active substance extraction from vegetable raw material by ultrasonic treatment. Bulletin of the South Ural State University. Series: Food and Biotechnology. 2018;6(1):1-9. (in Russian)

20. Resta D., Boschin G., D’agostina A., Arnoldi A. Evaluation of total quinolizidine alkaloids content in lupin flours, lupin-based ingredients, and foods. Mol. Nutr. Food Res. 2008;52(4):490-495. https://doi.org/10.1002/mnfr.200700206.

21. Roberts M.F., Wink M. Alkaloids: Biochemistry, Ecology, and Medicinal Applications. 2013.

22. Sengbusch R. Bitterstoffarme Lupinen. Zuchter. 1931;H.4:93-109.

23. Smirnova M.I. Biochemistry of lupine. In: Biochemistry of cultivated plants. Moscow-Leningrad: Selhozgis Publ., 1938;2:270-327. (in Russian)

24. Vilkhu K., Mawson R., Simons L., Bates D. Applications and opportunities for ultrasound assisted extraction in the food industry. A review. Innov. Food Sci. Emerg. Technol. 2008;9:161-169. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2007.04.014.

25. Vishnyakova M.A., Seferova I.V., Buravtseva T.V., Burlyaeva M.O., Semenova E.V., Filipenko G.I., Alexandrova T.G., Egorova G.P., Yankov I.I., Bulyntsev S.V., Gerasimova T.V., Drugova E.V. Guidelines “VIR Global Collection of Grain Legumes Crop Resources: Replenishment, Preservation and Study.” St. Petersburg, 2018. (in Russian)

26. Williams W., Harrison J.E.M., Jayasekera S. Genetical control of alkaloid production in Lupinus mutabilis and the effect of a mutant allele Mutal isolated following chemical mutagenesis. Euphytica. 1984; 33(3):811-817. https://doi.org/10.1007/BF00021907.

27. Wink M. Quinolizidine alkaloids: biochemistry, metabolism and function in plants and cell suspension cultures. Planta Med. 1987;53(6): 509-514. https://doi.org/10.1055/s-2006-962797.

28. Zharylgasina G.T., Nurmaganbetov Zh.S., Turmukhambetov A.Zh., Adekenov S.M. Modern methods for extraction of alkaloids from plant materials. Sci. Pract. J. 2014;3-4:105-122. (in Russian)