Изменчивость содержания алкалоидов в семенах люпина узколистного у образцов коллекции ВИР в условиях Северо-Запада Российской Федерации

Изучали содержание алкалоидов в семенах люпина узколистного (Lupinus angustifolius L.) у 59 образцов из коллекции ВИР в условиях Ленинградской области. В выборку были включены образцы разного статуса (дикие формы, староместные сорта, сорта научной селекции) и различных лет поступления в коллекцию. Алкалоиды определяли методом газожидкостной хроматографии, сопряженной с масс-спектрометрией. Определены концентрации основных алкалоидов в семенах: люпанина, 13-гидроксилюпанина, спартеина, ангустифолина, изолюпанина и их суммарное содержание. Выявленная изменчивость суммарного содержания алкалоидов в семенах изучаемой выборки составляла 0.0015–2.017 %. В большинстве случаев значение признака соответствует статусу образца: сорта современной селекции, за исключением сидеральных, входят в группу с показателями 0.0015–0.052 %, в то время как старые, местные сорта и дикие формы имеют значения 0.057–2.17 %. Характерно, что ко второй группе относятся преимущественно образцы, поступавшие в коллекцию до 1950-х гг., т. е. до периода активной селекции низкоалкалоидных сортов. Отмечена сильная межгодовая изменчивость признака у образцов, выращиваемых в одних и тех же почвенно-климатических условиях в течение двух лет. В 2019 г. в среднем по выборке содержание алкалоидов было в 1.9 раза выше, чем в 2020 г. Анализ погодных условий вегетации позволяет предположить, что снижение содержания алкалоидов произошло за счет значительного увеличения суммы осадков в 2020 г. При поиске связей содержания алкалоидов с типом боба (не вскрывающийся без обмолота – культурный, спонтанно вскрывающийся – дикий и промежуточный) наблюдается тенденция к более высокому (примерно в 2 раза в оба года исследования) суммарному содержанию алкалоидов у образцов с диким типом боба и приближенным к нему промежуточным по сравнению с не вскрывающимся без обмолота бобом. Связь среднего суммарного содержания алкалоидов с окраской семени, сведенной к трем категориям (темная – дикая, светлая – культурная и промежуточная), была достоверно выше у группы с темными семенами: в 5.2 раза в 2019 г. и в 3.7 раза в 2020 г. Не обнаружено достоверных различий процентного содержания отдельных алкалоидов в общей сумме алкалоидов как между годами исследования, так и между группами с различным типом боба и с разной окраской семени.

1. Ageeva P.A., Pochutina N.A., Matyukhina M.V. Blue lupine – source of valuable nutrients in forage production. Kormoproizvodstvo = Fodder Production. 2020;10:29-33. (in Russian)

2. Amirjani M. Effects of drought stress on the alkaloid contents and growth parameters of Catharanthus roseus. J. Agric. Biol. Sci. 2013; 8(11):745-750.

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

4. 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. 2012; 124(4):637-652. DOI:10.1007/s00122-011-1736-z.

5. Brummund M., Święcicki W. The recent history of lupin in agriculture. In: Naganowska B., Kachlicki P., Wolko B. (Eds.). Lupin Crops – an Opportunity for Today, a Promise for the Future: Proc. of the 13th Intern. Lupin Conference. Poznań, Poland. 6-10 June, 2011. Poznań: Institute of Plant Genetics Polish Academy of Sciences, 2011;15-23.

6. Christiansen J.L., Jørnsgård B., Buskov S., Olsen C.E. Effect of drought stress on content and composition of seed alkaloids in narrow-leafed lupin, Lupinus angustifolius L. Eur. J. Agron. 1997;7(4):307-314. DOI:10.1016/S1161-0301(97)00017-8.

7. Cowling W.A., Tarr A. Effect of genotype and environment on seed quality in sweet narrow-leafed lupin (Lupinus angustifolius L.). Aust. J. Agric. Res. 2004;55(7):745-751. DOI:10.1071/AR03223.

8. Dospekhov B.A. Methodology of Field Experiments. Moscow: Kolos Publ., 1973. (in Russian)

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

10. Gremigni P., Wong M., Edwards L.K., Harris D.J., Hambiln J. Potassium nutrition effects on seed alkaloid concentrations, yield and mineral content of lupins (Lupinus angustifolius). Plant Soil. 2001; 234:131-142. DOI:10.1023/A:1010576702139.

11. Hackbarth J., Troll H.J. Lupinen als Körnerleguminosen und Futterpflanzen. In: Handbuch der Pflanzenzüchtung. Band IV. Züchtung der Futterpflanzen. Berlin: Paul Parey, 1959;1-51.

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

13. Jaleel C.A., Manivannan P., Kishorekumar A., Sankar B., Gopi R., Somasundaram R. Alterations in osmoregulation, antioxidantenzymes and indole alkaloid levels in Catharanthus roseus exposed to water deficit. Colloids Surf. B Biointerfaces. 2007;59(2):150-157. DOI:10.1016/j.colsurfb.2007.05.001.

14. Jansen G., Jürgens H.U., Ordon F. Effects of temperature on the alkaloid content of seeds of Lupinus angustifolius cultivars. J. Agron. Crop Sci. 2009;195(3):172-177. DOI:10.1111/j.1439-037X.2008.00356.x.

15. 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.

16. Khalafyan A.A. Statistica 6. Statistical Data Analysis. Moscow: Binom Publ., 2010. (in Russian)

17. Kleinwächter M., Paulsen J., Bloem E., Schnug E., Selmar D. Moderate drought and signal transducer induced biosynthesis of relevant secondary metabolites in thyme (Thymus vulgaris), greater celandine (Chelidonium majus) and parsley (Petroselinum crispum). Ind. Crops Prod. 2015;64:158-166. DOI:10.1016/j.indcrop.2014.10.062.

18. Kleinwächter M., Selmar D. New insights explain that drought stress enhances the quality of spice and medicinal plants: Potential applications. Agron. Sustain. Dev. 2015;35:121-131. DOI:10.1007/s13593-014-0260-3.

19. Ku Y.-S., Contador C.A., Ng M.-S., Yu J., Chung G., Lam H.-M. The effects of domestication on secondary metabolite composition in legumes. Front. Genet. 2020;11:581357. DOI:10.3389/fgene.2020.581357.

20. Kurlovich B. Lupins: Geography, Classification, Genetic Resources and Breeding. St. Petersburg: Intan, 2002.

21. 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 narrow-leafed lupine held by the Vavilov Institute for the qualitative and quantitative composition of seed alkaloids. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2020;24(8): 829-835. DOI:10.18699/VJ20.680.

22. Lee M.J., Pate J.S., Harris D.J., Atkins C.A. Synthesis, transport and accumulation of quinolizidine alkaloids in Lupinus albus L. and L. angustifolius L. J. Exp. Bot. 2007;58(5):935-946. DOI:10.1093/jxb/erl254.

23. Lysenko O.G. The value of narrow-leafed lupine. Sel’skokhozyajstvennye Vesti = Agricultural News. 2020;1:30. (in Russian)

24. Maysuryan N.A., Atabekova A.I. Lupin. Moscow: Kolos Publ., 1974. (in Russian)

25. Nelson M.N., Phan H., Ellwood S., Moolhuijzen P., Hane J., Williams A., Clare E., Fosu-Nyarko J., Scobie M., Cakir M. The first gene-based map of Lupinus angustifolius L. – location of domestication genes and conserved synteny with Medicago truncatula. Theor. Appl. Genet. 2006;113(2):225-238. DOI:10.1007/s00122-0060288-0.

26. Reinhard H., Rupp H., Sager F., Streule M., Zoller O. Quinolizidine alkaloids and phomopsins in lupin seeds and lupin containing food. J. Chromatogr. A. 2006;1112(1-2):353-360. DOI:10.1016/j.chroma.2005.11.079.

27. Romanchuk I.Yu., Anokhina V.S. Lupine alkaloids: structure, biosynthesis, genetics. Molekulyarnaya i Prikladnaya Genetika = Molecular and Applied Genetics. 2018;25:108-123. (in Russian)

28. Selmar D., Kleinwächter M. Influencing the product quality by deliberately applying drought stress during the cultivation of medicinal plants. Ind. Crop Prod. 2013;42:558-566. DOI:10.1016/j.indcrop.

29. Sengbusch R. Bitterstoffarme Lupinen II. Züchter. 1931;4:93-109.

30. Sengbusch R. Susslupinen und Ollupinen. Die Entstehungsgeschichte einiger neuen Kulturpflanzen. Landw Jb. 1942;91:719-880.

31. Specification No. 9716-004-00668502-2008. Food Lupine. Available at: https://e-ecolog.ru/crc/57.01.01.000.%D0%A2.000230.05.08?ysclid=l4sa0dtvbn325210024 (Accessed June 24, 2022). (in Russian)

32. State Standard R 54632-2011. Fodder Lupine. Specification. 2013. Available at: https://docs.cntd.ru/document/1200093158?ysclid=l4s80m228h216628534 (Accessed June 24, 2022). (in Russian)

33. Stepanova S., Nazarova N., Korneichuk V., Lehmann C., Mikolaichik Y. The international COMECON list of descriptors for the genus Lupinus L. Leningrad: VIR Publ., 1985. (in Russian)

34. Szabó B., Tyihák E., Szabó G., Botz L. Mycotoxin and drought stress induced change of alkaloid content of Papaver somniferum plantlets. Acta Bot. Hung. 2003;45(3):409-417. DOI:10.1556/ABot.45.2003.3-4.15.

35. Święcicki W., Święcicki W.K. Domestication and breeding improvement of narrow-leafed lupin (L. augustifolius L.). J. Appl. Genet. 1995;36(2):155-167.

36. Taylor C.M., Kamphuis L.G., Cowling W.A., Nelson M.N., Berger J.D. Ecophysiology and Phenology: Genetic Resources for Genetic/Genomic Improvement of Narrow-Leafed Lupin. In: Singh K., Kamphuis L., Nelson M. (Eds.). The Lupin Genome. Compendium of Plant Genomes. Cham: Springer, 2020;19-30. DOI:10.1007/978-3030-21270-4_2.

37. Vishnyakova M.A., Krylova E.A. Prospects for obtaining low-alkaloid and adaptive forms of narrow-leafed lupine based on the genome and transcriptome resources of the species. Biotekhnologiya i Selektsiya Rastenij = Plant Biotechnology and Breeding. 2022;5(2):5-14. DOI:10.30901/2658-6266-2022-2-o1. (in Russian)

38. Vishnyakova M.A., Kushnareva A.V., Shelenga T.V., Egorova G.P. Alkaloids of narrow-leaved lupine as a factor determining alternative ways of the crop’s utilization and breeding. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2020; 24(6):625-635. DOI:10.18699/VJ20.656.

39. Vishnyakova M.A., Vlasova E.V., Egorova G.P. Genetic resources of narrow-leaved lupine (Lupinus angustifolius L.) and their role in its domestication and breeding. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2021;25(6):620630. DOI:10.18699/VJ21.070.

40. Waller G.R., Nowacki E.K. Alkaloid Biology and Metabolism in Plants. New York: Plenum Press, 1978;129-133.