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新型的生物基聚合物有望替代传统的石油基聚合物解决环境污染和温室气体过量排放的问题,但是使用淀粉和糖等可食用原料生产生物基聚合物不仅提高了生产成本,还会造成粮食短缺等问题。来源广泛、供应量巨大且不可食用的木质纤维素可再生资源是生物基聚合物生产原料的最佳选择。本论文旨在利用木质纤维素作为原料,生产生物基聚合物及前体,具体包括聚3-羟基丁酸酯（Poly 3-hydroxybutyrate,PHB）以及生物基聚合物的合成前体谷氨酸和赖氨酸。但是利用木质纤维素生产生物基聚合物及前体也存在一些技术难题,包括:（1）木质纤维素预处理过程中会产生大量的抑制物,这些抑制物会阻碍菌体的生长与发酵;（2）木质纤维素中的半纤维素组分在预处理阶段发生降解,产生大量木糖和其他可发酵单糖,但是这些多糖组分难以保存和利用;（3）木质纤维素中存在的一些非抑制物组分会对特定产物的生产造成干扰,如生物素会降低细胞膜的通透性,从而抑制产物的分泌生产;（4）复杂的木质纤维素环境需要对发酵菌株进行全局调控,例如多糖环境引起的葡萄糖代谢阻遏效应,抑制物环境影响细胞生长。针对这些技术问题,本论文以对抑制物具有较强耐受性的谷氨酸棒状杆菌（Corynebacterium glutamicum）作为出发菌株,通过干法生物炼制技术结合合成生物学的方法,对上述问题逐个加以解决,最终使C.glutamicum可以利用木质纤维素水解液生产高指标的PHB,谷氨酸和赖氨酸。本论文第一部分以谷氨酸生产菌株C.glutamicum S9114作为出发菌株,针对出发菌株不能利用木质纤维素中的木糖以及木质纤维素中存在大量生物素抑制谷氨酸分泌生产的两个关键问题,对出发菌株进行了以下改造:（1）通过优化木糖利用基因表达,并将表达框整合至基因组上获得了一株可以稳定利用木糖的重组菌株C.glutamicum GJ01;（2）对重组菌株的谷氨酸分泌蛋白编码基因MscCG的羧基端330个碱基进行了敲除,使改造菌株可以在高生物素环境中分泌生产谷氨酸;（3）对α-酮戊二酸脱氢酶的亚基OdhA的表达进行弱化,使代谢流更多地导向谷氨酸的合成,使谷氨酸的得率从16.7%提高至59.1%;（4）在基因组上整合戊糖转运蛋白的编码基因araE,进一步提高菌株的木糖利用速率。最终得到的改造菌株C.glutamicum GJ04可以利用木质纤维素水解液中的葡萄糖和木糖生产61.7 g/L的谷氨酸,产率达到1.29 g/L/h,是目前木质纤维素批发酵生产谷氨酸的最高指标。本论文第二部分以赖氨酸生产菌株C.glutamicum B253作为出发菌株,首先将木糖利用表达框整合至基因组上获得了一株可以稳定利用木糖生产赖氨酸的菌株C.glutamicum LJ01。其次从增加前体供应,减少副产物形成,增强辅酶再生和增加赖氨酸合成路径关键酶的表达量等方面尝试提高赖氨酸的合成,结果发现引入木糖利用途径会使胞内NADPH的含量降低46.6%,而过表达转氢酶编码基因pntAB可以使胞内NADPH的含量增加61.3%,从而使赖氨酸的产量提高63.6%。最后得到的改造菌株C.glutamicum LJ01-Peftu-PntAB可以利用木质纤维素水解液中的葡萄糖和木糖生产31.3 g/L的赖氨酸,与出发菌株相比,赖氨酸产量提高了 25.7%。本论文第三部分以第一部分得到的木糖利用菌株C.glutamicum GJ01作为出发菌株,首先将PHB合成路径的相关外源基因phaA,phaB和phaC分步整合至出发菌株基因组上,并敲除了副产物乳酸、乙酸和谷氨酸的合成和分泌路径,从而获得了一株可以稳定生产PHB的菌株C.glutamicum JH01;接着从代谢工程角度尝试从多个方面提高PHB的产量,发现PHB主要合成路径关键酶的活性当量不足是C.glutamicum生产PHB的限速步骤,过表达phaA,phaB或phaC基因可以使PHB产量提高接近70%-90%;而通过将PHA合酶固定在细胞膜上,增加PHA合酶的稳定性可以使PHB产量进一步提高2-3倍;通过形态工程改造,发现过表达pknA,pknB,DivIVA,RodA和WhcD这些与细胞形态相关的基因可以促进细胞的生长,从而使PHB产量提高100%-180%。对发酵条件进行优化,发现氮源的过量补加对于谷氨酸棒状杆菌合成PHB尤为重要。最终得到的改造菌株JH02-Peftu-（Ncgl）phaC可以利用木质纤维素水解液中的葡萄糖和木糖生产16.2 g/L的PHB,PHB含量为细胞干重的39.0%（w/w）,实现了木质纤维素PHB的高指标生产。本论文的第四部分以糖酸生产菌株Gluconobacter oxydans DSM2003作为出发菌株,针对其在木质纤维素水解液中利用非葡萄糖碳源速率较慢的问题,将G.oxydans在不同抑制物含量的木质纤维素水解液中进行420天的交替适应性进化,使其全糖利用速率大幅提高,使发酵总时间从72小时缩短至36小时。在转录水平上对进化菌株的相关基因进行分析,发现进化菌株葡萄糖脱氢酶的转录水平显著上调,说明葡萄糖脱氢酶的超量表达是进化菌株全糖利用速率加快的重要因素。此研究为提高发酵菌株对于木质纤维素中全糖的利用速率提供了一种可行的方案。综上所述,本研究针对木质纤维素体系生产生物基聚合物及前体存在的技术障碍,通过合成生物学的方法,构建木糖利用途径,引入外源产物合成路径,打通产物分泌通道,重构胞内能量平衡和氧化还原平衡,同时结合干法生物炼制技术,解决了木质纤维素生产生物基聚合物及前体存在的关键问题,实现了纤维素PHB、谷氨酸和赖氨酸的高指标生产,为生物基聚合物的工业化生产奠定了基础。