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生物炼制菌株在木质纤维素生物炼制过程中不可避免地会遭遇到各种胁迫,这些胁迫会抑制生物炼制菌株的生长以及发酵,进而导致发酵过程难以进行以及生物炼制过程无法持续。因此,解除或者缓解这些胁迫对于生物炼制菌株的抑制作用,一直以来是木质纤维素生物炼制领域研究的关键问题。本研究主要为了解决生物炼制菌株遭遇到的三种胁迫,包括酚类抑制物、高温以及低pH值。酚类抑制物来源于木质素的降解,包括酚醛抑制物以及醌类抑制物等。高温胁迫来源于两个方面,一方面是进行高温条件下的同步糖化共发酵（Simultaneous saccharification and co-fermentation,SSCF）;另一方面是大型发酵罐传热不均导致的局部过热也会抑制菌株的发酵性能。低pH值胁迫来源于低pH值条件下的乳酸发酵,在低pH值条件下进行乳酸发酵能够有效简化乳酸的纯化工艺。提高生物炼制菌株胁迫抗逆性常用的策略包括适应性进化以及理性改造。分子生物学以及合成生物学等理性改造策略在提高生物炼制菌株抗逆性方面不具备普适性,其应用经常由于菌株抗逆性的复杂而受到阻碍。适应性进化策略是一种简单、有效的方式,已经被广泛应用于提高生物炼制菌株的抗逆性,并且可以借助转录组（RNA sequencing,RNA-seq）以及基因组重测序分析等技术来挖掘适应性进化的潜在机理。第一部分对运动发酵单胞菌Zymomonas mobilis的适应性进化提高酚醛抑制物耐受进行了研究。Z.mobilis 8b在高固体含量玉米秸秆水解液中进行了长达198天的适应性进化培养,最终获得了一株稳定的进化菌株Z.mobilis Z198。进化菌株的酚醛抑制物转化能力有显著性的提升,尤其是对于毒性最大的香草醛,相比于出发菌株,进化菌株的香草醛转化率提高了 6.3倍。在进行高固体含量玉米秸秆的SSCF时,进化菌株的乙醇发酵浓度提升了 21.6%。进一步的实时荧光定量PCR（Quantitative real-time PCR,qRT-PCR）分析发现,进化菌株中SDR家族氧化还原酶编码基因ZMO3RS07160显著上调表达了 11.7倍,在出发菌株中过表达这一基因,重组菌株在水解液以及SSCF发酵中的乙醇浓度分别提高了 23.6%以及21.8%,能够达到适应性进化提高乙醇发酵性能相似的结果。本研究不仅获得了一株酚醛抑制物抗逆性能优异的乙醇发酵菌株,而且为理性改造提高酚醛抑制物抗逆性提供了重要的候选基因。第二部分研究了木质纤维素原料预处理后产生的p-苯醌对于生物炼制菌株的抑制作用以及生物炼制菌株高p-苯醌耐受的抗逆机理。6种木质纤维素原料经过预处理后产生的p-苯醌含量在进行高固体含量的SSCF时可以达到20～205 mg/L。通过比较不同生物炼制菌株对于p-苯醌的耐受能力以及转化能力,发现菌株的高p-苯醌抗逆性是通过将毒性较强的p-苯醌转化为低毒性的氢醌来实现的。进一步的qRT-PCR分析筛选到了 Z.mobilis中p-苯醌抗逆的关键基因,并通过在含有不同浓度p-苯醌的合成培养基、水解液以及SSCF的发酵来验证了过表达这些基因（ZM01696、ZMO1949以及ZMO1399等）重组菌株的发酵性能。本研究发现了p-苯醌对于生物炼制菌株的强抑制作用以及菌株的抗逆机理,挖掘到的抗逆基因能够为其它生物炼制菌株的P-苯醌抗逆性改造提供重要的候选基因。第三部分借助于RNA-seq以及基因组重测序技术解析了进化菌株Sacchromyces cerevisiae Z198耐高温性能以及发酵性能提升背后的分子机理。进化菌株在50℃高温胁迫下虽然停止了生长以及发酵,但其细胞活力相比于出发菌株有显著性的提升。进化菌株Sacchromyces cerevisiae Z198提高的耐高温性能促进了随后的乙醇发酵,并且减少了乳酸菌污染的风险。RNA-seq分析发现,核糖体通路是高温胁迫下富集度最高的通路,通路上大部分基因在两株菌株中都是下调的。进一步系统比较两株菌株中碳代谢通路上基因的转录情况,结果发现进化菌株碳代谢通路中的很多关键酶（限速酶以及葡萄糖磷酸化酶）编码基因相比于出发菌株在30℃条件下发生了显著性的上调表达,进化菌株碳代谢通路上关键基因的上调表达不仅能够促进发酵性能的提升,而且有助于进化菌株抵抗高温胁迫。本章节不仅为纤维素乙醇发酵提供了一株耐高温性能优异的发酵菌株,而且可以为其它菌株的高温抗逆性改造提供重要的参考信息。第四部分对适应性进化以及理性改造提高L-乳酸生产菌株Pediococcus acidilactici ZY271的低pH值抗逆性进行了研究。过表达乳酸脱氢酶、重组酶、分子伴侣、谷胱甘肽以及ATPase来强化酸耐受能力并没有起到显著的效果,而适应性进化得到的进化菌株在进行低指标的乳酸发酵时展现出显著提升的低pH值抗逆性以及乳酸发酵性能。进化菌株在进行pH值4.0条件下的发酵能够显著减少中和剂的用量39.8%～56.3%。本研究初步探索了运用适应性进化以及理性改造策略来提高P.acidilactici ZY271的低pH值抗逆性,适应性进化策略提升了菌株的低pH抗逆性,但距离实际应用还需要后续进一步的研究。本论文针对生物炼制菌株在木质纤维素生物炼制过程中遭遇的三种胁迫,采取了适应性进化以及理性改造等策略来提高生物炼制菌株的胁迫抗逆性。本研究通过适应性进化策略提高了生物炼制菌株对上述三种胁迫的抗逆性,并且借助于RNA-seq以及qRT-PCR等分析,挖掘到了很多与抑制物以及高温等胁迫抗逆性相关的关键基因,能够为理性改造提高生物炼制菌株的抗逆性提供重要的基因元件和理论指导。