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合成生物学技术是实现我国从“发酵大国”到“发酵强国”转变的关键。合成生物学的研究方法可概括为4M策略，即数据挖掘(Mine)、模型设计(Model)、实验改造(Manipulation)和定量检测(Measurement)，并进行多轮循环式提升。阿维菌素是一种低毒广谱的杀虫剂，也是唯一一个年产值达到30亿元的生物农药。它的发现者Satoshi(O)mura教授和William C.Campbell博士，以及青蒿素的发现者屠呦呦研究员获得2015年诺贝尔生理与医学奖。现今，中国已经成为阿维菌素的唯一生产国。本实验室前期通过传统的诱变育种方法使阿维菌素的产量得到提高，从初发菌株ZLXav2320(0.65 g/L)诱变依次获得高产菌株ZLXav3-115、ZLXav7-51和ZLXav9-39，产量分别达到了3.84 g/L、4.79 g/L和4.98 g/L，然而其高产机制尚未明确。本论文以这一系列高产菌为研究对象，旨在利用合成生物学4M策略对其高产机制进行解析，并为进一步提高阿维菌素产量提供理论依据，也将为其它次级代谢产物产量提高研究提供例证。 本研究主要内容包括：⑴通过对模式菌株ATCC31267和高产菌株基因组的比较发现，高产菌基因组上出现了几处可能与高产性状相关的重要变化：菌株ZLXav2320基因组上gap1（靠近染色体左臂，137 kb）和gap2（靠近染色体右末端，68 kb）两段序列分别被新的外源序列S27(111 kb)和S16(202kb)所替换。高产菌株ZLXav3-115、ZLXav7-51和ZLXav9-39出现了相同的染色体重排现象，主要表现在染色体上靠近左臂处发生了一个约435 kb的大片段缺失，命名为gap3。染色体的右臂有一个左臂约1 Mb的反向重复片段，使得这部分序列中所包含的基因拷贝数发生了倍增，其中包括阿维菌素的生物合成基因簇。相对于模式菌株ATCC31267，高产菌ZLXav3-115中avaA的转录水平显著降低，寡霉素的生物合成基因也发生变化。说明avaA信号通路和寡霉素生物合成基因簇可能对阿维菌素的产量有影响。⑵根据数据挖掘所获得的信息，我们对调控相关基因提出假设，设计出阿维菌素高产的代谢流模型：外源片段S16中的麦芽糖操纵子（包括麦芽糖磷酸化酶基因mapA、β-磷酸葡萄糖变位酶基因pgmB和麦芽糖转运相关蛋白基因）可能通过增加麦芽糖的摄取和促进麦芽糖的降解从而提高阿维菌素的产量；gap3中的pgmA缺失后，可能使更多的α-D-葡萄糖1-磷酸合成阿维菌素生物合成的前体脱氧胸苷二磷酸-齐墩果糖从而提高阿维菌素的产量；寡霉素的生物合成可能与阿维菌素竞争同样的延伸单元前体。⑶通过对关键序列进行敲除回补等实验来验证各关键点对阿维菌素产量的影响，并且采用RT-PCR、EMSA等实验来鉴定调控相关基因可能的调控机制。⑷通过精准定量检测阿维菌素的产量来获得最终的验证结果，主要结果有：外源片段S16和S27的获得有利于阿维菌素的高产。这可能主要是因为其中的麦芽糖操纵子对阿维菌素产量的正影响；gap3大片段的缺失有利于阿维菌素的高产，主要原因可能是由于其中的葡萄糖磷酸变位酶基因pgmA和σ9等大量ECF-σ影响因子对阿维菌素产量的负影响；AvaA通过影响阿维菌素的生物合成过程从而对阿维菌素产量产生负的影响作用；在高产工业菌株ZLXav9-39中进行完整寡霉素生物合成基因簇的敲除，并获得比菌株ZLXav9-39高产20％阿维菌素的菌株。