微生物的次级代谢产物一般在细胞指数生长后期或者稳定期开始合成,它们具有多种生物活性,在医疗健康、农牧业生产等领域发挥着重要作用。负责细胞生长的初级代谢和负责代谢产物合成的次级代谢之间存在密切关系,次级代谢所需的前体、能量和还原力来源于初级代谢,而初级代谢本身同样会消耗这些前体、能量和还原力用于细胞生长。以多组学的数据分析为基础,阐明抗生素的高产机理,弱化初级代谢途径,削弱或减缓细胞生长速率,缩短次级代谢产物的发酵周期,全面提高次级代谢产物的产量是本论文研究的重点。第一部分“弱化初级代谢提高抗生素产量”的改造策略井冈霉素是应用范围最广的农用抗生素之一,主要用来防治水稻纹枯病,同时也是治疗Ⅱ型糖尿病的药物阿卡波糖和伏格列波糖的合成前体,具有很高的经济附加值。通过对井冈霉素产生菌吸水链霉菌井冈变种5008(Streptomyces hygroscopicus var.jinggangensis 5008)(产量3-5 g/L)及其衍生的高产菌株TL01(产量20-30 g/L)的比较基因组学分析,我们旨在阐明井冈霉素的高产机理,进而指导其产量的进一步提升。5008和TL01全基因组精细图谱的分析发现,TL01中存在总计300 kb的三个大片段区域的缺失,每个区域的单独缺失对产量提高均有贡献,而组合缺失突变株产量达到TL01的80%,是井冈霉素高产的关键因素。而随着井冈霉素产量的逐步提高,菌体生物量却表现出逐渐下降的趋势,暗示生物量和井冈霉素产量之间存在负相关。据此我们提出了“弱化初级代谢可以提高抗生素产量”的假说,推断大片段的缺失弱化了菌体的初级代谢,削弱或减缓了菌体的生长,将更多的代谢流用于井冈霉素的生物合成,促进井冈霉素产量的提高。基于此假说,我们对区域Det-I和Det-Ⅲ中的120个基因进行了排查,找到了参与初级代谢过程的结构基因和调控基因shjg115、shjg1601、shjg1609和shjg1617,它们的缺失使得产量均有不同程度的提高、生物量有不同程度的降低。此外,代谢组的数据分析发现,在6-磷酸葡萄糖节点上代谢流的分配进一步的趋向于磷酸戊糖途径(PPP),而糖酵解途径(EMP)和三羧酸循环(TCA)中的碳流量下降,这进一步支持了我们提出的“弱化初级代谢可以提高抗生素产量”的假说。为了验证该假说的普适性,我们在红色糖多孢菌属、链霉菌属和小单胞菌属的抗生素产生菌中对糖酵解途径和三羧酸循环中多个催化步骤的同功基因进行了敲除,扰动初级代谢,减缓细胞生长,成功实现了红霉素A、林可霉素A和庆大霉素C组分产量的提高。此外,在阿维菌素高产菌株阿维链霉菌76-5中组合缺失柠檬酸合成酶基因、琥珀酰辅酶A合成酶基因和琥珀酸脱氢酶基因,突变株产量提高了0.77 g/L,增幅达到52%。但是进一步弱化初级代谢减少生物量,产量反而锐减,暗示着一定的生物量积累是抗生素高产的重要前提。另外,转录芯片数据分析发现线型质粒pSHJG1在TL01中整体呈现低表达趋势,推断pSHJG1与井冈霉素的合成没有正相关性,可以被进一步消除,降低产生菌基因组的复杂性。质粒消除突变株中井冈霉素及其前体效氧胺的产量均有大幅提高,但是生物量下降,而生物合成基因簇的转录量保持不变。随后我们在pSHJG1中确定了和初级代谢相关的结构基因,使用valA基因启动子在突变株中进行基因回补,发现基因pshjg1.69和pshjg1.72的回补使得井冈霉素产量和生物量均恢复到接近出发菌株的水平。无论是初级代谢的弱化还是线型质粒的消除,它们都能够弱化或者减缓细胞生长,进而促进抗生素产量的提高。由于放线菌初级代谢途径和细胞生长息息相关,而且相对大的基因组中普遍存在多个同功基因,因此弱化初级代谢以提高抗生素产量的策略更具有普适性。第二部分盐霉素产生菌基因组解析及定向高产改造盐霉素是聚醚类抗生素的典型代表,由于具有治疗鸡球虫病的活性,在畜牧业被广泛使用。最近发现它也具有潜在的杀灭肿瘤干细胞的活性。盐霉素发酵过程表现出很强的豆油利用偏好性,且产量会随着豆油浓度的提高而增加,工业发酵水平达到70 g/L以上。但是迄今为止,对其高产机理和豆油利用偏好性产生的原因尚不知晓。盐霉素产生菌白色链霉菌DSM 41398(Streptomyces albus DSM41398)的全基因组精细图谱由本实验室测定,其线型染色体全长8,384,669 bp,无线型质粒存在。和其他常见链霉菌基因组的比较分析发现,DSM 41398中参与脂代谢的基因比例和数量是最高的,与豆油分解和β氧化相关基因总数达到48个,且其中基因fadD、acd、paa、fadJ和fadA均表现出豆油诱导表达的现象;而与此相反,参与碳水化合物代谢的基因比例是最低的,这暗示着菌株具有内在的强化的脂代谢能力和弱化的糖代谢能力,与其特殊的豆油偏好性表型恰好吻合。除了盐霉素生物合成基因簇以外,DSM 41398的染色体中还存在其他9个I型PKS/PKS-NRPS生物合成基因簇,其中7个是活跃表达的,它们可能会和盐霉素生物合成竞争前体,不利于盐霉素的产生。对7个活跃表达的基因簇进行逐个敲除后发现,除了PKS-5,其他基因簇的中断都有助于盐霉素产量不同程度的提高,其中PKS-NRPS-2和PKS-6的缺失突变株产量提高最为显著,分别提高了8.5倍和2.67倍,但是它们的组合缺失突变株的产量却不能被进一步提升。通过LC-MS/MS进行了胞内辅酶A的定量分析,我们发现组合缺失突变株中,前体丙二酰辅酶A和甲基丙二酰辅酶A的浓度均比单独缺失突变株的高,但是乙基丙二酰辅酶A的浓度基本保持不变,由此成为产量进一步提高新的限制因素。通过超量表达了巴豆酰辅酶A还原酶基因ccr,我们有效提高了乙基丙二酰辅酶A的胞内浓度,并最终将组合缺失突变株的盐霉素产量提高至6.6 g/L,达到了出发菌株的10倍左右。在高产菌株中我们使用同样的检测手段和改造策略,也实现了盐霉素产量的进一步提升。综上所述,本论文通过基因组学、转录组学、代谢组学的手段,解析了井冈霉素和盐霉素的高产机理,并定向改造高产菌株,得到了产量进一步提高的衍生菌株。此外,本论文中提出的“弱化初级代谢提高抗生素产量”,“线型质粒消除”和“基于定量的前体工程改造”等策略可以为其他抗生素的高产改造提供一定的借鉴。