Перспективы получения низкоалкалоидных и адаптивных форм люпина узколистного на основе геномных и транскриптомных ресурсов вида

Люпин узколистный (Lupinus angustifolius L.) называют культурой нереализованных возможностей. Продовольственный и кормовой потенциал вида не используется в полном масштабе из-за наличия в растениях хинолизидиновых алкалоидов (ХА) – вторичных метаболитов, которые придают горечь семенам и токсичны для людей и животных. Созданные за последние 50-60 лет сорта с низким содержанием ХА (сладкие), оказались более подвержены повреждениям сосущими насекомыми и переносимыми ими вирусами, чем высокоалкалоидные (“горькие”). На основе стремительно развивающихся геномных и транскриптомных ресурсов вида выявлен ряд молекулярно-генетических детерминант биосинтеза алкалоидов в растениях люпина узколистного и его особенности, а именно, локализация их синтеза в вегетативных органах растения и последующий транспорт в семена. Эти факты дали основание предложить создание “горько-сладких” форм – с высоким содержанием алкалоидов в вегетативных частях растения, что позволяет снизить атаки патогенов, и минимальным в семенах. В настоящем обзоре обобщены имеющиеся предпосылки получения таких форм люпина узколистного на основе имеющихся научных достижений. Приведены сведения о создании насыщенных генетических карт вида, в которые интегрирован главный локус, определяющий общее низкое содержание алкалоидов в семенах и используемый в селекционных программах – iucundus. В результате применения методов секвенирования нового поколения идентифицирован единственный фактор транскрипции ген RAP2-7, сцепленнный с локусом iucundus и расположенный в области с главными QTLs, влияющими на состав ХА – весьма вероятный ген-кандидат, определяющий низкоалкалоидный фенотип. Известны начальные этапы биосинтеза ХА и регулирующие его факторы. Осуществлены две эталонные сборки генома люпина узколистного. Все эти достижения - весомый ресурс для создания форм люпина узколистного, отсутствующих в природе – с высоким содержанием алкалоидов в вегетативной массе и низким в семенах.

1. Adhikari K., Edwards O., Wang S., Ridsdill-Smith T., Buirchell B. The role of alkaloids in conferring aphid resistance in yellow lupin (Lupinus luteus L.). Crop and Pasture Science. 2012;63:444-451. DOI: 10.1071/CP12189

2. Allen J. Toxins and lupinosis. In: Gladstones J.S., Atkin C.A., Hamblin J. (eds.). Lupins as crop plants: biology, production and utilization. CAB International; 1998. p.411-428.

3. Beaudoin G., Facchini P. Benzylisoquinoline alkaloid biosynthesis in opium poppy. Planta. 2014;240(1):19-32. DOI: 10.1007/s00425-014-2056-8.

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

5. Berlandier F. Alkaloid level in narrow-leafed lupin, Lupinus angustifolius, influences green peach aphid reproductive performance. Entomologia Experimentalis et Applicata. 1996;79:19-24. DOI: 10.1111/j.1570-7458. 1996.tb00804.x

6. Blaschek W., Ebel S., Hilgenfeldt U., Holzgrabe U., Reichling J., Schulz V., Barthlott W., Höltje H.-D. Hagers Enzyklopädie der Arzneistoffe und Drogen. 2016. [In German]. Available from: http://www.drugbase.de/ de/datenbanken/hagers-enzyklopaedie.html [accessed January 23, 2021].

7. Bunsupa S., Katayama K., Ikeura E., Oikawa A., Toyooka K., Saito K., Yamazaki M. Lysine decarboxylase catalyzes the first step of quinolizidine alkaloid biosynthesis and coevolved with alkaloid production in Leguminosae. Plant Cell. 2012a;24:1202-1216. DOI: 10.1105/tpc.112.095885

8. Bunsupa S., Yamazaki M., Saito K. Quinolizidine alkaloid biosynthesis: recent advances and future prospects. Frontiers in Plant Science. 2012b;3:239. DOI: 10.3389/fpls.2012.00239

9. Cárdenas P. Sonawane P., Pollier J., Bossche R.V., Dewangan V., Weithorn E., Tal L., Meir S., Rogachev I., Malitsky S., Giri A., Goossens A., Burdman S., Aharoni A. GAME9 regulates the biosynthesis of steroidal alkaloids and upstream isoprenoids in the plant mevalonate pathway. Nature Communications. 2016;7:10654. DOI: 10.1038/ncomms10654

10. Czepiel K., Krajewski P., Wilczura P., Bielecka P., Święcicki W., Kroc M. Expression profiles of alkaloid-related genes across the organs of narrow-leafed lupin (Lupinus angustifolius L.) and in response to anthracnose infection. International Journal of Molecular Sciences. 2021;22(5):2676. DOI: 10.3390/ijms22052676

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

12. Dash S, Campbell J.D., Cannon E.K., Cleary A.M., Huang W., Kalberer S.R., Karingula V., Rice A.G., Singh J., Umale P.E., Weeks N.T., Wilkey A.P., Farmer A.D., Cannon S.B. Legume information system (LegumeInfo.org): a key component of a set of federated data resources for the legume family. Nucleic Acids Research. 2016;44(D1):D1181-D1188. DOI: 10.1093/nar/gkv1159

13. Dewey R., Xie J. Molecular genetics of alkaloid biosynthesis in Nicotiana tabacum. Phytochemistry. 2013;94:10-27. DOI: 10.1016/j.phytochem.2013.06.002

14. Dijkstra D., Linnemann A., van Boekel T. Towards sustainable production of protein-rich foods: appraisal of eight crops for Western Europe. Part II: Analysis of the technological aspects of the production chain. Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 2003;43(5):481-506. DOI: 10.1016/j.foodchem.2005.09.088

15. Facchini P., St-Pierre B. Synthesis and trafficking of alkaloid biosynthetic enzymes. Current Opinion in Plant Biology. 2005;8(6):657-666. DOI: 10.1016/j.pbi.2005.09.008

16. Fischer K., Dieterich R., Nelson M., Kamphuis L., Singh K., Rotter B., Krezdorn N., Winter P., Wehling P., Ruge-Wehling B. Characterization and mapping of LanrBo: A locus conferring anthracnose resistance in narrow-leafed lupin (Lupinus angustifolius L.). Theoretical and Applied Genetics. 2015;128:2121-2130. DOI: 10.1007/s00122-015-2572-3

17. Frick K., Kamphuis L. Siddique K., Singh K., Foley R. Quinolizidine alkaloid biosynthesis in lupins and prospects for grain quality improvement. Frontiers in Plant Science. 2017;8:1-12. DOI: 10.3389/fpls.2017.00087

18. Frick K., Foley R., Kamphuis L.G., Siddiqu K., Gar G., Singh K.B. Characterization of the genetic factors affecting quinolizidine alkaloid biosynthesis and its response to abiotic stress in narrow-leafed lupin (Lupinus angustifolius L.). Plant, Cell and Environment. 2018;41:2155-2168. DOI: 10.1111/pce.13172

19. Gao L.-L., Hane J., Kamphuis L., Foley R., Shi B.-J., Atkins C.A., Singh K. Development of genomic resources for the narrow-leafed lupin (Lupinus angustifolius): construction of a bacterial artificial chromosome (bac) library and bac-end sequencing. BMC Genomics. 2011;12:521. DOI: 10.1186/1471-2164-12-521

20. Gladstones J.S. Lupins as crop plants. Field Crop Abstracts.1970;23:123-148.

21. Gustafsson A., Gadd I. Mutations and crop improvement. II. The genus Lupinus (Leguminosae). Hereditas. 1965;53:15-39. DOI: 10.1111/j.1601-5223.1965.tb01977.x

22. Hagel J.M., Facchini P.J. Benzylisoquinoline alkaloid metabolism: A century of discovery and a brave New World. Plant and Cell Physiology. 2013;54(5):647-672. DOI: 10.1093/pcp/pct020

23. Hane J.K., Ming Y., Kamphuis L.G., Nelson M.N., Garg G., Atkins C.A., Bayer P.E., Bravo A., Bringans S., Cannon S., Edwards D., Foley R., Gao L.L., Harrison M.J., Huang W., Hurgobin B., Li S., Liu C.W., McGrath A., Morahan G., Murray J., Weller J., Jian J., Singh K.B. A comprehensive draft genome sequence for lupin (Lupinus angustifolius), an emerging health food: insights into plant-microbe interactions and legume evolution. Plant Biotechnology Journal. 2017;15:318-330. DOI: 10.1111/pbi.12615

24. Hirai M.Y., Suzuki H., Yamazaki M., Saito K. Biochemical and partial molecular characterization of bitter and sweet forms of Lupinus angustifolius, an experimental model for study of molecular regulation of quinolizidine alkaloid biosynthesis. Chemical & Pharmaceutical Bulletin. 2000;48:1458-1461. DOI: 10.1248/cpb.48.1458

25. 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. Genetic Resources and Crop Evolution. 2015;63:711-719. DOI: 10.1007/s10722-015-0278-7

26. Kamphuis L.G., Hane J.K., Nelson M.N., Gao L., Atkins C.A., Singh K.B. Transcriptome sequencing of different narrow-leafed lupin tissue types provides a comprehensive uni-gene assembly and extensive gene-based molecular markers. Plant Biotechnology Journal. 2015;3:14-25. DOI: 10.1111/pbi.12229

27. Kamphuis L.G., Garg G., Foley R., Singh K.B. Genomic resources for lupins are coming of age. Legume Science. Special Issue. 2021;3(3):e77. DOI: 10.1002/leg3.77

28. Kasprzak A., Safar J., Janda J., Dolezel J., Wolko B., Naganowska B. Bacterial artificial chromosome (BAC) library of the narrow-leafed lupin (Lupinus angustifolius L.). Cellular and Molecular Biology Letters. 2006;11:396-407. DOI: 10.2478/s11658-006-0033-3

29. Kroc M., Koczyk G., Święcicki W., Kilian A., Nelson M. New evidence of ancestral polyploidy in the Genistoid legume Lupinus angustifolius L. (narrow-leafed lupin). Theoretical and Applied Genetics. 2014;127:1237-1249. DOI: 10.1007/s00122-014-2294-y

30. Kroc M., Czepiel K., Wilczura P., Mokrzycka M., Swięcicki W. Development and validation of a gene-targeted dCAPS marker for marker-assisted selection of low-alkaloid content in seeds of narrow-leafed lupin (Lupinus angustifolius L.). Genes. 2019a;10:428. DOI: 10.3390/genes10060428

31. Kroc M., Koczyk G., Kamel K.A., Czepiel K., Fedorowicz-Strońska O., Krajewski P., Kosińska J., Podkowiński J., Wilczura P., Święcicki W. Transcriptome-derived investigation of biosynthesis of quinolizidine alkaloids in narrow-leafed lupin (Lupinus angustifolius L.) highlights candidate genes linked to iucundus locus. Scientific Reports. 2019b;9:2231. DOI: 10.1038/s41598-018-37701-5

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 or screening the collection of narrow-leafed lupine held by the Vavilov Institute for the qualitative and quantitative composition of seed alkaloids. Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2020;24(8):829-835. DOI: 10.18699/VJ20.680

33. 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. Journal of Experimental Botany. 2007;58:935-946. DOI: 10.1093/jxb/erl254

34. Li X., Yang H., Buirchel B., Yan G. Development of a DNA marker tightly linked to low-alkaloid gene iucundus in narrow-leafed lupin (Lupinus angustifolius L.) for marker-assisted selection. Crop and Pasture Science. 2011;62:218-224. DOI: 10.1071/CP10352

35. Linnemann A.R., Dijkstra D.S. Toward sustainable production of protein-rich foods: appraisal of eight crops for Western Europe. Part I. Analysis of the primary links of the production chain. Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 2002;42:377-401. DOI: 10.1080/20024091054193

36. Memelink J., Verpoorte R., Kijne J.W. ORCAnization of jasmonate-responsive gene expression in alkaloid metabolism. Trends in Plant Science. 2001;6(5):212-219. DOI: 10.1016/s1360-1385(01)01924-0

37. Naganowska B., Wolko B., Sliwinska E., Kaczmarek Z. Nuclear DNA content variation and species relationships in the genus Lupinus (Fabaceae). Annals of Botany. 2003;92: 349-355. DOI: 10.1093/aob/mcg145

38. Nelson M.N., Phan H.T., Ellwood S.R., Moolhuijzen P.M., Hane J., Williams A., O‘Lone C.E., Fosu-Nyarko J., Scobie M., Cakir M., Jones M., Bellgard M., Książkiewicz M., Wolko B., Barker S.J., Oliver R.P., Cowling W.A. The first gene-based map of Lupinus angustifolius L. – location of domestication genes and conserved synteny with Medicago truncatula. Theoretical and Applied Genetics. 2006;113:225-238. DOI: 10.1007/s00122-006-0288-0

39. Nelson M.N., Moolhuijzen P.M., Boersma J.G., Chudy M., Lesniewska K., Bellgard M., Oliver R.P., Święcicki W., Wolko B., Cowling W., Ellwood S.R. Aligning a new reference genetic map of Lupinus angustifolius with the genome sequence of the model legume, Lotus japonicus. DNA Research. 2010;17:73-83. DOI: 10.1093/dnares/dsq001

40. Plewiński P., Książkiewicz M., Rychel-Bielska S., Rudy E., Wolko B. Candidate domestication-related genes revealed by expression quantitative trait loci mapping of narrow-leafed lupin (Lupinus angustifolius L.). International Journal of Molecular Sciences. 2019;20(22):5670. DOI: 10.3390/ ijms20225670

41. Рrusiński J. Postęp biologiczny w łubinie (Lupinus sp.) – rys historyczny i stan aktualny. Zesz Probl Post Nauk Roln.2007;522:23-37. [in Polish]

42. Rai V, Tandon PK, Khatoon S. Effect of chromium on antioxidant potential of Catharanthus roseus varieties and production of their anticancer alkaloids: vincristine and vinblastine. BioMed Research International. 2014;2014:934182. DOI: 10.1155/2014/934182

43. Ramalingam A., Kudapa H., Pazhamala L.T., Weckwerth W., Varshney R.K. Proteomics and metabolomics: two emerging areas for legume improvement. Frontiers in Plant Science. 2015;6:1116. DOI: 10.3389/fpls.2015.01116

44. Reinhard H., Rupp H., Sager F., Streule M., Zoller O. Quinolizidine alkaloids and phomopsins in lupin seeds and lupin containing food. Journal of Chromatography A. 2006;1112:353-360. DOI: 10.1016/j.chroma.2005.11.079

45. Rychel S., Ksiazkiewich M. Development of gene-based molecular markers tagging low alkaloid pauper locus in white lupin (Lupinus albus L.). Journal of Applied Genetics. 2019;60(3-4):269-281. DOI: 10.1007/s13353-019-00508-9

46. Романчук И.Ю., Анохина В.С. Алкалоиды люпина: строение, биосинтез, генетика. Молекулярная и прикладная генетика. 2018;25:108-123.

47. Sengbusch R. Die Entstehungsgeschichte einiger neuer Kulturpflanzen. Landwirtschaftliche Jahrbücher. 1942;91:719-880. [In German]

48. 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: 0.18699/VJ20.656

49. Vishnyakova M.A., Vlasova E.V., Egorova G.P. Genetic resources of narrow-leafed 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):620-630. DOI: 0.18699/VJ21.070.

50. Wang S., Liu A., Ridsdill-Smith T., Ghisalberti E. Role of alkaloids in resistance of yellow lupin to red-legged earth mite Halotydeus destructor. Journal of Chemical Ecology. 2000;26:429-441. DOI: 10.1023/A:1005413606680

51. Wink M. Plant breeding: low or high alkaloid content. In: Proceedings of the 6th International Lupin Conference; 1990 November 25-30; Temuco-Pucón, Chile. 1990. p.326-334.

52. Wink M. Allelochemical properties or the raison d’être of alkaloids. In: Geoffrey A. Cordell (ed.). The Alkaloids. San Diego: Acad. Press; 1993. Vol. 43. p.1-118.

53. Wink M. Biological activities and potential application of lupin alkaloids. In: J.M. Neves-Martins, M.L. Beirao da Costa (eds.) Advances in Lupin Research. Lisbon: ISA Press; 1994. p.161-178.

54. Wink M., Meißner C., Witte L. Patterns of quinolizidine alkaloids in 56 species of the genus Lupinus. Phytochemistry. 1995;38:139-153.

55. Yang H., Tao Y., Zheng Z., Zhang Q., Zhou G., Sweetingham M.W., Howieson J.G., Li C. Draft genome sequence, and a sequence-defined genetic linkage map of the legume crop species Lupinus angustifolius L. PLoS One. 2013;8(5):e64799. DOI: 10.1371/journal. pone.0064799

56. Yang T., Nagy I., Mancinotti D., Otterbach S.L., Andersen T.B., Motawia M.S., Asp T., Geu-Flores F. Transcript profiling of a bitter variety of narrow-leafed lupin to discover alkaloid biosynthetic genes. Journal of Experimental Botany. 2017;68:5527-5537. DOI: 10.1093/jxb/erx362

57. Zachow F. Ein neues gen für alkaloidarmut bei Lupinus angustifolius. Der Züchter. 1967;37:35-38. DOI: 10.1007/BF00621153. [In German]

58. Zhou G.F., Jian J.B., Wang P.H., Li C.D., Tao Y., Li X., Renshaw D., Clements J., Sweetingham M., Yang H. Construction of an ultra-high density consensus genetic map, and enhancement of the physical map from genome sequencing in Lupinus angustifolius. Theoretical and Applied Genetics. 2018;131,209-223. DOI: 10.1007/s00122-017-2997-y

59. Zhu H., Choi H.K., Cook D.R., Shoemaker R.C. Bridging model and crop legumes through comparative genomics. Plant Physiology. 2005;137(4):1189-1196. DOI: 10.1104/pp.104.058891