Генетические ресурсы люпина узколистного (Lupinus angustifolius L.) и их роль в доместикации и селекции культуры

Люпин узколистный (Lupinus angustifolius L.) – окультуренный вид многоцелевого назначения с очень короткой историей доместикации. Его используют как сидеральную, кормовую, продовольственную культуру, в качестве корма в рыбоводстве и в фармакологии. Однако генетический потенциал вида для создания продуктивных и адаптивных сортов далеко не реализован. Неоднократно показана узкая генетическая основа окультуренного генофонда по сравнению с диким. Поэтому эффективное использование генетических ресурсов вида имеет важное значение для дальнейшего развития культуры. Разнообразие генетических ресурсов люпина узколистного в мире, степень их изученности и пути применения можно представить посредством анализа сведений о коллекциях гермоплазмы вида, сохраняемых в национальных генбанках разных стран. В контексте этого анализа в статье приведены сведения о коллекции люпина узколистного ВИР: ее численности, составе, селекционном статусе образцов, методах изучения и выявления внутривидовой дифференциации, используемых классификациях. Показано, что коллекция люпина узколистного ВИР, занимающая второе место в мире по числу образцов, значительно отличается от других преобладанием в ней сортов научной селекции и селекционного материала, в то время как в большинстве коллекций превалируют дикие формы. Освещено значение дикого генофонда в селекции люпина узколистного в Австралии – мировом лидере производства культуры. Показана необходимость выявления эколого-географического разнообразия вида для создания сортов с адаптивными свойствами, соответствующими определенным условиям возделывания. Приведены данные оценки образцов коллекции ВИР по основным селекционно значимым признакам. Особое внимание уделено изучению образцов с ограниченным ветвлением, как перспективному генофонду для возделывания в сравнительно северных районах нашей страны. Они обладают меньшей, но более стабильной продуктивностью, пригодны для возделывания в загущенном посеве, что имеет целый ряд агротехнических преимуществ. Анализ работы с генетическими ресурсами люпина узколистного в различных национальных коллекциях мира способствует определению путей дальнейшей работы с коллекцией ВИР как единственным источником исходного материала для отечественной селекции.

1. Adhikari K.N., Galwey N.W., Dracup M. The genetic control of highly restricted branching in narrow-leafed lupin (Lupinus angustifolius L.). Euphytica. 2001;117:261-274.

2. Anokhina V.S., Debely G.A., Konorev P.M. Lupine. Selection. Genetics. Evolution. Minsk, 2012. (in Russian)

3. Barashkova E.A., Stepanova S.I., Smirnova V.S. Resistance of lupine seedlings to low temperatures. In: VIR World Collection Catalog. Iss. 242. Leningrad, 1978. (in Russian)

4. Benken I.I., Kurlovich B.S., Kartuzova L.T., Nikishkina M.A., Vlasov V.A., Kutuzova E.A., Nazarova N.S., Pilipenko S.I., Rybnikova V.A. Narrow-leafed lupine – Lupinus angustifolius L.: Biochemical characterization of specimens. In: VIR World Collection Catalog. Iss. 637. St. Petersburg, 1993. (in Russian)

5. Berger J., Buirchell B., Luckett D., Nelson M. Domestication bottlenecks limit genetic diversity and constrain adaptation in narrowleafed lupin (Lupinus angustifolius L.). Theor. Appl. Genet. 2012a; 124:637-652. DOI 10.1007/s00122-011-1736-z.

6. Berger J., Buirchell B., Luckett D., Palta J., Ludwig C., Liu D. How has narrow-leafed lupin changed in its 1st 40 years as an industrial, broadacre crop? A G×E-based characterization of yield-related traits in Australian cultivars. Field Crop. Res. 2012b;126:152-164. DOI 10.1016/j.fcr.2011.10.006.

7. Berger J.D., Clements J.C., Nelson M.N., Kamphuis L.G., Singh K.B., Buirchell B. The essential role of genetic resources in narrowleafed lupin improvement. Crop Pasture Sci. 2013;64:361-373. DOI 10.1071/CP13092.

8. Berger J., Shrestha D., Ludwig C. Reproductive strategies in Mediterranean legumes: trade-offs between phenology, seed size and vigor within and between wild and domesticated Lupinus species collected along aridity gradients. Front. Plant Sci. 2017;8:548. DOI 10.3389/fpls.2017.00548.

9. Buirchell B., Cowling W. Genetic resources in lupins. In: Lupins as Crop Plants. Biology, Production and Utilization. Ch. 2. CAB International, 1998. Chen Y., Dunbabin V., Postma J., Diggle A., Palta J., Lynch J., Siddique K., Rengel Z. Phenotypic variability and modelling of root structure of wild Lupinus angustifolius genotypes. Plant Soil. 2011; 348:345-364. DOI 10.1007/s11104-011-0939-z.

10. Clements J.C., Cowling W.A. Patterns of morphological diversity in relation to geographical origins of wild Lupinus angustifolius from the Aegean region. Genet. Resour. Crop Evol. 1994;41:109-122. DOI 10.1007/BF00053055.

11. Cowling W. Collection of wild Lupinus in Greece. FAO/IBPGR Plant Genetic Resources Newsletter. Rome, 1986;65:20-22.

12. Cowling W.A. Genetic diversity in narrow-leafed lupin breeding after the domestication bottleneck. In: Singh K., Kamphuis L., Nelson M. (Eds.). The Lupin Genome. Compendium of Plant Genomes. Springer, 2020. DOI 10.1007/978-3-030-21270-4_1.

13. 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)

14. French R., Buirchell B. Lupin: the largest grain legume crop in Western Australia, its adaptation and improvement through plant breeding. Austral. J. Agric. Res. 2005;56(11):1169-1180. DOI 10.1071/AR05088.

15. Gladstones J. Lupins as crop plants. Field Crop Abstr. 1970;23(2):123- 148.

16. Gladstones J., Atkins C., Hamblin J. (Eds.). Lupins as Crop Plants: Biology, Production, and Utilization. N.Y.: CAB International, 1998; 1-39.

17. Glencross B.D. Feeding lupins to fish: a review of the nutritional and biological value of lupins in aquaculture feeds. Department of Fisheries – Research Division Government of Western Australia. https://citeseerx.ist.psu.edu//viewdoc/download?doi=10.1.1.68.1305&rep=rep1&type (Access date 01.02.2021).

18. Golovin S.E., Vlasova E.V. Monitoring of the species composition of spotting and root rot agents on Lupinus angustifolius L. VIR collection. Obrazovanie, Nauka i Proizvodstvo = Education, Science, and Production. 2015;3(12):23-24. (in Russian)

19. Gresta F., Wink M., Prins U., Abberton M., Capraro J., Scarafoni A., Hill G. Lupins in European cropping systems. In: Legumes in Cropping Systems. Wallingford, 2017;88-108. DOI 10.1079/9781780644981.0088.

20. Hijmans R.J., Cameron S.E., Parra J.L., Jones P.G., Jarvis A. Very high resolution interpolated climate surfaces for global land areas. Int. J. Climatol. 2005;25:1965-1978. DOI 10.1002/joc.1276.

21. Kamel K.A., Święcicki W., Kaczmarek Z., Barzyk P. Quantitative and qualitative content of alkaloids in seeds of a narrow-leafed lupin (Lupinus angustifolius L.) collection. Genet. Resour. Crop Evol. 2016;63:711-719. DOI 10.1007/s10722-015-0278-7.

22. Kiselev I.I., Kurlovich B.S., Kartuzova L.T., Korneychuk N.S. Lupine: Evaluation of accessions for resistance to fusarium against infectious backgrounds. In: VIR World Collection Catalog. Iss. 638. St. Petersburg, 1993. (in Russian)

23. Kiselev I.I., Kurlovich B.S., Stepanova S.I. Lupine: Evaluation of accessions for resistance to fusarium. In: VIR World Collection Catalog. Iss. 447. St. Petersburg, 1988. (in Russian)

24. Kiselev I.I., Stepanova S.I., Dukhanina I.A. Resistance of lupine species to fusarium. In: VIR World Collection Catalog. Iss. 298. Leningrad, 1981. (in Russian)

25. Kuptsov N.S. Strategy and tactics of lupin breeding. Kormoproizvodstvo = Fodder Production. 2001;1:8-12. (in Russian)

26. Kuptsov N.S., Takunov I.P. Lupin: Genetics, breeding, heterogeneous cultivation. Bryansk, 2006. (in Russian)

27. Kurlovich B.S. Lupins. Geography, Classification, Genetic Researches and Breeding. St. Petersburg: Intan, 2002.

28. Kurlovich B.S., Kartuzova L.T., Korneychuk N.S., Kiselev I.I., Nazarova N.S., Pilipenko S.I. Lupine: Evaluation of accessions for resistance to fusarium against infectious backgrounds. In: VIR World Collection Catalog. Iss. 537. Leningrad, 1990. (in Russian)

29. 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 Grain Legumes (lupins, vetch, soy, and beans). St. Petersburg, 1995;9-116. (in Russian)

30. Kurlovich B.S., Stankevich A.K. Intraspecific diversity of three annual species of lupin (Lupinus L.). Sbornik Trudov po Prikladnoy Botanike, Genetike i Selektsii = Proceedings on Applied Botany, Genetics, and Breeding. 1990;135:19-34. (in Russian)

31. Kurlovich B.S., Voluzneva T.A., Petrova M.V. The significance of Vavilov expeditions for the breeding of grain legumes. Sbornik Trudov po Prikladnoy Botanike, Genetike i Selektsii = Proceedings on Applied Botany, Genetics, and Breeding. Leningrad, 1991;140:84-89. (in Russian)

32. Kushnareva A.V., Shelengа T.V., Perchuk I.N., Egorova G.P., Malyshev L.L., Kerv Yu.A., Shavarda A.L., Vishnyakova M.A. Selection of an optimal method for screening the collection of narrowleafed lupine held by the Vavilov Institute for the qualitative and quantitative composition of seed alkaloids. Vavilov J. Genet. Breed. 2020;24(8):829-835. DOI 10.18699/VJ20.680.

33. Maysuryan N.A., Atabekova A.I. Lupin. Moscow, 1974. (in Russian)

34. Mousavi-Derazmahalleh M., Bayer P.E., Nevado B., Hurgobin B., Filatov D., Kilian A., Kamphuis L.G., Singh K.B., Berger J.D., Hane J.K., Edwards D., Erskine W., Nelson M.N. Exploring the genetic and adaptive diversity of a pan-Mediterranean crop wild relative: narrow-leafed lupin. Theor. Appl. Genet. 2018a;131:887-901. DOI 10.1007/s00122-017-3045-7.

35. Mousavi-Derazmahalleh M., Nevado B., Bayer P.E., Filatov D.A., Hane J.K., Edwards D., Erskine W., Nelson M.N. The western Mediterranean region provided the founder population of domesticated narrow-leafed lupin. Theor. Appl. Genet. 2018b;131(12):2543-2554. DOI 10.1007/s00122-018-3171-x.

36. Oram R.N. Two reduced branching mutants in Lupinus angustifolius L. SABRAO J. Breed. Genet. 2002;34:27-33.

37. Privalov F.I., Grib S.I., Matys I.S. Genetic resources of the national bank of seeds, a basis of crop breeding in Belarus. Zemledelie i Selektsiya v Belarusi = Agriculture and Breeding in Belarus. 2020; 56:276-283. (in Russian)

38. Sauk I.B., Anokhina V.S., Timoshenko M.K., Tsibulskaya I.Yu., Bryl E.A. Morphogenetic and biochemical studies of the collection of yellow and narrow-leafed lupine. In: Molecules and Applied Genetics. 2008;8:133-137. (in Russian)

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

40. Święcicki W., Kroc M., Kamel K.A. Lupins. Ch. 6. In: Grain Legumes. Handbook of Plant Breeding. Springer, 2015;10:179-218.