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酚醛抑制物是木质纤维素生物炼制过程的预处理步骤产生的主要抑制物之一,其主要源于木质素的过度降解,其代表性化合物包括隶属p-羟基苯基类的4-羟基苯甲醛、丁香基类的丁香醛和愈创木酚基类的香草醛。与呋喃类（糠醛和5-羟甲基糠醛）和弱酸类（乙酸、甲酸和乙酰丙酸）抑制物不同,种类较多的酚醛抑制物难挥发且水溶性较差,其芳香环结构致使其降解缓慢。因此,酚醛抑制物是纤维素酶和发酵微生物的主要抑制物。生物脱毒是一种全新的脱毒概念,被认为是未来生物炼制过程不可或缺的步骤,其主要思路是利用具有生物降解能力的微生物转化木质纤维素预处理过程产生的抑制物。目前,对呋喃醛和有机酸生物脱毒机理的研究比较清楚。酚醛抑制物因为水溶性差而难以精确定性定量,因此其生物脱毒机理报道较少。本研究采用RNA-Seq技术和DNA芯片技术,对生物炼制菌株树脂枝孢霉菌（Amorphotheca resinae ZN1）和运动发酵单胞菌（Zymomonas mobilis ZM4）的酚醛抑制物代谢途径和耐受机制进行了解析；对酚醛抑制物生物脱毒关键基因进行了筛选,并在运动发酵单胞菌进行了酚醛抑制物代谢途径的强化改造,初步测试了酚醛抑制物生物脱毒与纤维素乙醇发酵的整合生物加工菌株的能力；主要依据转录组数据,构建了细菌、酵母和霉菌的酚类、呋喃类和弱酸类抑制物生物脱毒的关键基因元器件库。第一部分,为了探究专司生物脱毒的丝状真菌A.resinae ZN1转化酚醛抑制物的机制,本研究通过RNA-Seq技术考察了A. resinae ZN1脱毒酚醛抑制物生成酚酸和酚醇的转录组。结果发现,534个、1576个和1261个基因分别在4-羟基苯甲醛、丁香醛和香草醛转化过程中显著差异表达。GO分析发现,氧化还原和转运是A. resinae ZN1脱毒酚醛抑制物的主要生物学过程。基于推测的A. resinae ZN1转化酚醛抑制物的代谢途径,本研究发现醇脱氢酶、酰基醇脱氢酶和醛还原酶是A. resinae ZN1还原酚醛抑制物产醇代谢途径的关键酶,醛脱氢酶是A. resinae ZN1氧化酚醛抑制物产酸代谢途径的关键酶。第二部分,为了探究产乙醇细菌Z. mobilis ZM4转化酚醛抑制物的机制,本研究通过DNA芯片技术考察了Z. mobilis ZM4还原酚醛抑制物产醇的转录组。结果发现,442个、67个和306个基因分别在4-羟基苯甲醛、丁香醛和香草醛胁迫下显著差异表达。还原、转运和调控是Z. mobilis ZM4还原酚醛抑制物的主要分子机制。本研究鉴定了Zmobilis ZM4还原酚醛抑制物的72个关键基因,其中包括酚醛抑制物胁迫下均显著差异上调表达的ZMO1116 （Oxidoreductase）和ZMO1885 （NADH:flavin oxidoreductase/NADH oxidase）。同时,本研究通过基因组图谱定位发现,在至少2种酚醛抑制物胁迫下显著差异上调表达的272个基因涉及36个基因簇,560个显著差异下调表达的基因涉及63个基因簇。第三部分,为了考察生物脱毒关键基因转化酚醛抑制物的能力,本研究通过遗传工程强化改造了底盘微生物Z. mobilis ZM4。通过强化Z. mobilis ZM4自身的酚醛抑制物还原代谢途径和重构酚醛抑制物氧化代谢途径,本研究尝试提高Z. mobilis ZM4转化酚醛抑制物和发酵纤维素乙醇的能力。结果表明,Pseudomonas putida KT2440来源的NAD+依赖型的醛脱氢酶（PP2680）显著提高了Z. mobilis ZM4转化醛类抑制物和发酵纤维素乙醇的能力。PP2680重组菌株在15%（w/w）固含量玉米秸秆水解液发酵24 h的乙醇浓度、乙醇产率和乙醇得率分别较对照菌株提高63.7%、100.0%和106.3%。PP 2680蛋白在离体条件下不具备还原能力,但是其依赖NAD（P）+氧化4-羟基苯甲醛、香草醛、糠醛和5-羟甲基糠醛生成4-羟基苯甲酸、香草酸、糠酸和2,5-呋喃二甲醛。但是,PP 2680在Z. mobilis ZM4活体条件下虽然提高了醛类抑制物转化和纤维素乙醇发酵的能力,但是未能氧化酚醛和呋喃醛产生相应的酸。而且,PP2680 （NAD+-ALDH）和ZM01696（NADH-ADH）共表达间接证明了辅因子回补是PP 2680提高Z. mobilis ZM4醛类抑制物转化和纤维素乙醇发酵能力的重要原因。一个意外的发现是,PP 2680在Z. mobilisZM4的异源表达提高了ED途径的醇脱氢酶和氧化磷酸化过程H+转运ATPase、焦磷酸酶和细胞色素bd复合体编码基因的表达水平。第四部分,针对木质纤维素来源抑制物生物脱毒菌株理性改造的必要性,本研究提出构建木质纤维素来源抑制物的生物脱毒关键基因元器件库。主要依据抑制物胁迫条件下的转录组数据,本研究构建了细菌（B. subtilis、C. beijerinckii、C. glutamicum、E. coli、 Z. brevis、P. putida、T. pseudethanolicus和Z. mobilis）、酵母（Pichia stipites和S. cerevisiae）和霉菌（A. resinae）的酚类、呋喃类和弱酸类抑制物生物脱毒的关键基因元器件库。研究发现,酚类抑制物生物脱毒的关键基因主要涉及氧化还原、转运和调控；呋喃类抑制物生物脱毒的关键基因主要涉及氧化还原、转运、调控和氧化胁迫；乙酸生物脱毒的关键基因主要涉及中心碳代谢、转运和调控；成分复杂的木质纤维素水解液体系除了涉及转运和调控外,还涉及其他多方面的生物学过程。同时,基于构建的基因元器件库,本研究推测了Z. mobilis ZM4终极降解酚醛抑制物的代谢途径,揭示了酚醛抑制物氧化产酸（诸如原儿茶酸和3-O-甲基没食子酸）途径是Z. mobilis ZM4终极降解酚醛抑制物的关键代谢节点。综上所述,本研究从分子生物学水平解析了生物炼制脱毒菌株和发酵菌株转化酚醛抑制物的机制,测试了经代谢强化改造的Z. mobilis ZM4转化酚醛抑制物和发酵纤维素乙醇的能力,构建了细菌、酵母和霉菌的酚类、呋喃类和弱酸类生物脱毒的关键基因元器件库。本研究为生物炼制菌株的抑制物生物脱毒改造和发酵性能强化提供了重要的基因元器件库和整合生物加工平台。