天麻は異なる標高環境に適応するために、塊茎の節間が短縮し、花や果実の色彩が多様化した生態型へと進化した。異なる生態型種資源の遺伝的メカニズムの研究は、異なる栽培地域での品種育成を指導する上で重要である。方法としては、黒天麻と紅天麻の全ゲノムデータを基にbHLH遺伝子ファミリーを同定し、遺伝子構造、染色体位置、シストランス作用エレメント、遺伝子共線性および系統解析を行った。トランスクリプトームデータとリアルタイムPCR分析を組み合わせて、異なる生態型天麻茎におけるbHLH遺伝子の発現パターンを解析し、色彩相関解析と検証を通じて天麻の花茎色形成を調節する主要なbHLH遺伝子を発掘した。結果として、黒天麻と紅天麻からそれぞれ63個のbHLHs遺伝子が同定され、17本の染色体に不均一に分布し、16のサブファミリーに分けられ、一部の遺伝子ファミリーのメンバーは著しい数的拡大を示した。2種類の生態型天麻のbHLHs遺伝子は同一染色体上に明らかな逆位および染色体間転座現象が見られ、bHLH62-3、bHLH74など12個の遺伝子は紅天麻の花茎の明るい黄色と関連し、PIL13、UNE12およびbHLH130など9個の遺伝子は黒天麻の茎の赤色と関連した。bHLH48遺伝子は紅天麻の花や鱗片葉での発現量が黒天麻より有意に高く、bHLH62-3は紅天麻のすべての器官で有意に高い発現を示した。結論として、天麻のbHLH遺伝子ファミリーのメンバーは黒天麻と紅天麻の異なる染色体で機能的経路の分化を生じ、21個の遺伝子は協調的または拮抗的に他の遺伝子と作用し、茎、花、果実器官の着色代謝経路の調節に関与した。中でもbHLH62-3遺伝子は天麻茎色のアントシアニン合成経路に関わり、色彩分化の調節に寄与し、GebHLH48は開花関連経路を正に調節し、紅天麻の早咲き表現型形成を促進した。本研究は天麻茎色形成の遺伝的調節機構の基礎を築いた。

紅天麻; 黒天麻; bHLHs遺伝子; 花茎色; 染色体転座