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本论文以维生素C工业生产菌株生酮基古龙酸菌(Ketogulonicigenium vulgareWSH001)和巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium WSH002)组成的人工微生物生态系统为研究对象，结合目前关于两菌生理生化水平和组学水平(基因组学、蛋白组学、代谢组学)研究结果，通过构建基因组规模代谢网络模型(Genome scale metabolic model, GSMM)和基于约束的算法(constraints-based methods)，从系统生物学水平解析K. vulgare的生理特性及其与B. megaterium之间的相互作用机制，主要研究结果如下：1.基于RAST、KAAS、PRIAM、本地BLASTp注释K. vulgare基因组，共有834个蛋白注释出EC号且具有较高可信度。根据KAAS和本地BLASTp搜索TCDB数据库注释K. vulgare基因组共预测476个转运蛋白。基于本地BLASTp和比较基因组学显示K. vulgare RAST新注释的231个蛋白中186个具有功能注释或在K. vulgareY25中存在对应同源蛋白；B. megaterium RAST新注释的219个蛋白中153个具有功能注释或在B. megaterium QM B1551或DSM319中存在对应同源蛋白；2.通过代谢网络自动构建服务器Model SEED与KAAS，结合文献调研K. vulgare相关的生化信息、公共数据库、已报道实验结果等构建了K. vulgare的GSMM，命名为iWZ663，该模型包含663个基因、649个代谢物和830个反应。模型iWZ663中基因覆盖率达21.4%，反应可分为14个代谢亚系统，其中转运系统、碳水化合物代谢、氨基酸代谢所占比例最大，分别为16.5%、15.3%、15.2%；代谢物中与能量相关(ATP、ADP、NADP、NADPH、NAD、NADH)和氮代谢相关(谷氨酸、胺离子、甘氨酸)的代谢物在网络中占较大的连通度。模型注释K. vulgare山梨糖代谢途径发现山梨糖不仅可以转化成2-KLG或维生素C，也可进入中心碳代谢，为细胞生长提供能量和骨架；3.运用基于约束的算法结合Cobra工具箱在MATLAB平台上对K. vulgare GSMMiWZ663系统分析，发现模型iWZ663中116个基因被预测为生长必需基因，且均位于染色体上；153个反应被预测为生长必需反应。K. vulgare单独生长微弱的原因在于：(1)天冬酰胺、半胱氨酸、甲硫氨酸、生物素、烟酸、焦磷酸硫胺素、二氢叶酸的合成途径不完整；(2) K. vulgare代谢山梨糖主要通过ED (Entner-Doudoroff)途径和戊糖磷酸途径而不是酵解途径，其中戊糖磷酸途径流量仅占碳流的5.7%，低水平的戊糖磷酸途径影响细胞还原力(NADPH)和碳骨架(戊糖等)的供给；(3) K. vulgare不能还原硫酸盐生成亚硫酸盐，阻碍了半胱氨酸和甲硫氨酸的合成并进一步影响胞内辅酶A和谷胱甘肽的合成。K. vulgare具有强大的多肽转运和水解能力，K. vulgare能代谢天冬酰胺、天冬氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸、丙氨酸、脯氨酸、丝氨酸、苏氨酸参与TCA循环或核苷酸代谢；4.整合RAST新注释基因、代谢组学数据、碳氮源生长数据、亚细胞定位信息，将前期实验室构建的B. megaterium代谢网络模型iMZ992精炼升级为iMZ1055，该模型包含1055个基因、1137个代谢反应、1011个代谢物。统一K. vulgare与B. megateriumGSMM格式得到修饰后的两菌模型iWZ663a和iMZ1055a，二者共有453个反应和548代谢物相同。比较两菌GSMMs发现iMZ1055a的代谢能力更为多样，表现在：(1)具有15个特有的代谢亚系统而iWZ663a只有一个；(2)相比于iWZ663a，在组氨酸代谢、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸生物合成、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢、核黄素代谢中也具备特殊的代谢功能；(3)必需反应分析显示iWZ663a中必需反应所占模型总反应比例是iMZ1055a的2倍多，iMZ1055a有51个非必需共有反应在iWZ663a是必需的，主要分布在嘌呤代谢、嘧啶代谢、核黄素代谢、泛酸与辅酶A生物合成等；(4) iMZ1055a可以合成并转运到胞外的代谢物有78种，而iWZ663a仅能合成和分泌22种代谢物。另外两者GSMMs在果糖与甘露糖代谢、泛醌与其他类萜醌生物合成、硫代谢和苯甲酸降解、转运系统中存在不同的代谢机制；5.整合模型iWZ663a和iMZ1055a构建维生素C二步发酵两菌代谢互作模型，命名为iWZ-KV-663-BM-1055，包含1718个基因、1583个代谢物和1910个反应。FBA与鲁棒性分析显示两菌间既存在共生也存在竞争的生理关系。FVA与必需反应分析显示B. megaterium伴生下：42个K. vulgare单菌模型时无流量通过的代谢反应有流量通过；36个在K. vulgare单菌模型时的必需反应转变为非必需反应；38个B.megaterium单菌模型中的非必需反应，主要参与合成K. vulgare的必需营养物质如焦磷酸硫胺素、生物素、烟酸、泛酸、二氢叶酸等，可以影响K. vulgare在混菌系统中达到最大生长速率。基于iWZ-KV-663-BM-1055分析两菌相互作用机制为：(1)K. vulgare与B. megaterium之间的相互作用主要通过胞外代谢物和反应相联系；(2)B. megaterium分泌23种代谢物到K. vulgare，其中15种营养物质K. vulgare自身也能合成；(3) K. vulgare自身的多数氨基酸、维生素和辅酶的合成途径无流量通过，但不同核苷酸之间的回补反应、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、脯氨酸的合成却有流量通过；(4)两菌代谢相互作用受两菌转运系统注释水平的影响。