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表面活性素（surfactin）是一种由芽孢杆菌经非核糖体多肽合成酶（non-ribosome peptide synthases,NRPS）合成的环七肽化合物。Surfactin是芽孢杆菌细胞分化过程中的一种信号分子,诱导芽孢杆菌生物菌膜（biofilm）形成机理复杂,深入研究具有重要生理功能的surfactin在芽孢杆菌中的代谢机制对于丰富工业微生物信号分子代谢调控的理论具有重要价值。另一方面,surfactin具有独特的生化活性,包括显著的表面活性,乳化活性,和抗菌,抗病毒,抗癌,溶血栓等生物活性,在食品日用,生物制药,原油回收,环境修复等领域有广泛的工业应用价值。鉴于信号分子本质,大多数天然分离的芽孢杆菌surfactin产量较低(低于1000 mg?L-1)。虽然针对surfactin的研究已持续数十年,但限制其高效合成的关键因素目前仍不清晰。菌株产率低导致生产成本高,是当前限制surfactin工业化生产制备和广泛应用的首要因素。本论文从surfactin高产菌株筛选入手,深入分析surfactin过量合成在特殊强化环境（酿造大曲）中的核心功能,进而采用组学研究工具解析surfactin高效合成的分子机制,并利用代谢工程策略优化surfactin合成途径,构建高产工程菌。主要研究结果如下:（1）获得高产菌株是解析surfactin高效合成机制、实现surfactin工业化生产的首要条件。针对目前采用常规筛选方法和材料仍难以从自然环境中分离得到天然高产surfactin菌株的难题,本研究首先建立一种血琼脂平板和特异性PCR相结合的高通量筛选方案,从高温酿造大曲中分离得到一株天然高产surfactin的解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens MT45）。Landy培养基中MT45的surfactin产量达3.37 g?L-1;进一步利用单因素实验和响应面实验对该菌株进行发酵条件优化,使surfactin产量提高2倍以上,达到7.9 g?L-1,是目前报道的野生菌最高产量。（2）针对高温酿造大曲中芽孢杆菌高产surfactin的功能不明确问题,通过微生物间相互作用关系研究,解析了surfactin在大曲中的核心功能。研究发现:1)与自然环境中芽孢杆菌合成surfactin作为信号分子诱导biofilm形成的功能不同,特殊强化环境中分离到的芽孢杆菌高效合成surfactin而不形成biofilm,surfactin的主要功能表现为抗菌素功效,以抵抗外界不良酿造微生物入侵,维持大曲中微生物群体结构与功能的稳定。高温酿造大曲中分离得到的枯草芽孢杆菌2-16和解淀粉芽孢杆菌MT45表现出对不良入侵微生物（桑式链霉菌,Streptomyces sampsonii）显著的抑制作用。营养和生存空间竞争,surfactin等多种脂肽协同抗菌作用,以及菌体对不良风味物质geosmin的消减作用是芽孢杆菌抑制链霉菌生长和geosmin积累的三种主要作用模式。2)大曲内部芽孢杆菌存在功能互补的协同作用关系。B.amyloliquefaciens MT45能够直接利用酿造生物质原料（酒糟,DGS）为底物合成surfactin,但MT45有限的水解酶活力限制了菌体生长和产物合成;来源于酿造大曲的另一解淀粉芽孢杆菌B.amyloliquefaciens X82不能合成surfactin但具有较高的水解酶活力,能够为MT45提供充足的还原糖,有效促进MT45的生长代谢和surfactin合成。这种天然功能互补关系使X82与MT45能够以DGS为底物协同发酵高效合成surfactin。对发酵过程中功能菌种的比例和发酵原料用量进行优化,发现当产酶菌株X82与产surfactin菌株MT45的接种比例为1:2,DGS用量为200 g?L-1时,surfactin的产量最高,达到3.4 g?L-1,产率为17 g?kg-1 DGS,是目前芽孢杆菌利用生物质原料合成surfactin的最高水平。（3）针对B.amyloliquefaciens MT45高效合成surfactin的关键代谢模块及调控因素不清晰的问题,以B.amyloliquefaciens标准菌株DSM7为对照,采用比较基因组学和时间序列比较转录组学研究方法,分别从基因水平和转录水平解析了高产菌株B.amyloliquefaciens MT45高效合成surfactin的分子机制。比较基因组分析发现:MT45基因组更小,含有更少的功能不明确冗余蛋白,但含有更多的特有转运蛋白和抗生素抗性相关蛋白。比较转录组分析发现:MT45胞内脂肪酸代谢途径显著强化,为surfactin高效组装提供了充足的前体;超高表达的surfactin合成酶基因有效驱动了胞内氨基酸和脂肪酸前体流向surfactin的合成;而过量表达的外排和自身抗性相关基因则保障了MT45在高浓度surfactin中的正常生理代谢。组学研究揭示了作为驱动力的surfactin合成酶高效转录,和作为防御力的surfactin转运/抗性蛋白高效转录,以及前体脂肪酸供应在surfactin高效合成过程中的关键作用,为后期菌株的理性代谢工程设计提供了新的理论基础。（4）针对枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）仅能合成少量surfactin作为信号分子的问题,以组学研究的最新发现为指导,采用代谢工程手段对surfactin合成途径进行人工基因组优化,提高surfactin的合成能力。通过整合表达高产菌株MT45的Sfp蛋白使B.subtilis 168获得了surfactin合成能力。在此基础上,通过人工基因组优化,敲除surfactin合成的竞争途径大基因簇（精简3.8%的基因组）和过量表达转运蛋白及相关抗性基因构建了surfactin高效合成的细胞平台,使菌株168的surfactin产量提高10倍,达到3.78 g?L-1。进一步过量表达支链脂肪酸合成途径相关基因,强化支链脂肪酸合成,为surfactin组装提供充足的直接前体,使surfactin产量逐步提高,达到9.5 g?L-1;最后通过整合表达高产菌株MT45中的群集效应系统ComQXPA,并敲除潜在的srfA负转录调控因子,提高srfA转录水平,使surfactin的产量进一步提高,达到12.8 g?L-1,是目前报道的芽孢杆菌合成surfactin的最高产量。