지네발초(Gastrodia)는 다양한 고도 환경에 적응하기 위해 식물이 괴경 마디가 짧아지고 꽃과 열매의 다채로운 색상을 나타내는 생태형으로 진화했다. 다양한 생태형 자원의 유전적 메커니즘 연구는 다양한 재배 지역 품종 육성에 중요한 의미를 가진다. 방법으로는 붉은 지네발초와 검은 지네발초의 전체 유전체 데이터를 기반으로 bHLH 유전자 가족을 식별하고, 유전자 구조, 염색체 위치, 시스 작용 요소, 유전자 공선성 및 계통 발생 분석을 수행하였다. 전사체 데이터와 실시간 형광 정량 중합효소 연쇄 반응(Real-time PCR) 분석을 결합하여 각 생태형 지네발초 줄기에서 bHLH 유전자의 발현 양상을 분석하였고, 색상 상관관계 분석 및 검증을 통해 지네발초 꽃줄기 색 형성의 핵심 bHLH 유전자를 발굴하였다. 결과적으로 붉은 지네발초와 검은 지네발초에서 각각 63개의 bHLHs 유전자가 확인되었으며, 17개의 염색체에 불균등하게 분포하고 16개의 아계통으로 군집되었으며 일부 유전자 가족 구성원은 수가 현저히 확장되었다. 두 생태형 지네발초의 bHLHs 유전자는 동일한 염색체에서 명확한 반위 및 염색체 간 전위 현상을 보였으며, bHLH62-3, bHLH74 등 12개의 유전자가 붉은 지네발초 꽃줄기의 밝은 노란색과 관련되었고, PIL13, UNE12, bHLH130 등 9개의 유전자가 검은 지네발초 줄기의 붉은 색과 관련되었다. 또한 bHLH48 유전자는 붉은 지네발초 꽃과 비늘잎에서 검은 지네발초보다 발현량이 유의하게 높았고, bHLH62-3는 붉은 지네발초의 모든 기관에서 유의미하게 높은 발현을 보였다. 결론적으로 지네발초 bHLH 유전자 가족 구성원은 붉은 지네발초와 검은 지네발초의 서로 다른 염색체에서 기능적 경로 분화를 이루었으며, 21개의 유전자가 협력적 또는 길항적으로 작용하여 줄기, 꽃, 열매 기관의 색소대사 경로 조절에 참여하였다. bHLH62-3 유전자는 지네발초 줄기 색상의 안토시아닌 합성 경로에서 색 차별화 조절에 참여하여 줄기 색 형성과 관련되었으며, GebHLH48은 개화 관련 경로를 정(+)으로 조절하여 붉은 지네발초 조기 개화 표현형 형성을 촉진하였다. 본 연구는 지네발초 줄기 색 형성의 유전적 조절 메커니즘에 기초를 마련하였다.

붉은 지네발초; 검은 지네발초; bHLHs 유전자; 꽃줄기 색; 염색체 전위