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井冈霉素是由吸水链霉菌5008井冈变种产生的一种氨基糖苷类农用抗生素。由于其高效、廉价和安全等显著特点，自上世纪70年代，井冈霉素就被广泛应用于水稻纹枯病的防治，其年产量超过5万吨，为我国第一大农用抗生素。然而，目前工业高产菌均为诱变得到、易退化，同时，井冈霉素发酵所需要的大量淀粉类碳源也不利于发酵成本的节约。因此，构建遗传稳定的井冈霉素高产菌以及寻找廉价可替代的生物质原料来降低井冈霉素生产成本是值得尝试，同时也对可持续的、绿色工业生产有重要意义。 遗传稳定的高产菌对于工业发酵生产来说尤为重要。相比较传统费时费力的诱变育种方法，近年来以基因工程为基础的代谢工程改造正越来越多地用于理性提高的菌株发酵水平。其中基因簇多拷贝复制被认为是一种有效提高抗生素产量的方法。最近报道的ZouA介导的DNA复制系统在模式菌--天蓝链霉菌中被证明可增加放线紫红素基因簇的拷贝数，使得该色素的产量显著提高。但尚不清楚该系统能否用于其他抗生素生物合成体系，特别是具有重要工业价值的抗生素生产中。 因此在本学位论文中，我们从卡那链霉菌CGMCC4.1441基因组中克隆得到ZouA系统的三个重要元件（zouA、RsA和RsB），连同阿伯拉霉素抗性基因（aac(3)IV）分别整合到井冈霉素基因簇的两端（zouA-RsA和RsB-aac(3)IV）。通过提高阿伯拉霉素浓度富集含以及脉冲场电泳-Southern杂交验证获得了含有3-5个串联基因簇的重组菌，并具有良好的遗传稳定性。 随后的摇瓶发酵实验结果表明，重组菌的井冈霉素最高产量为21 g L-1，为野生型的1.3倍，接近目前报道的改造后的工业株的最好发酵水平，表明增加基因簇拷贝数是一种有效提高井冈霉素产量的方法。此外，重组菌的副产物有效氧胺产量明显降低，且其井冈霉素和有效氧胺总摩尔数仍然高于野生型，表明多拷贝基因簇不但增强有效氧胺转化为井冈霉素，同时也促进碳流更多地转向井冈霉素的生物合成。同时发现重组菌中结构基因的转录水平和酶量与野生型相比均有明显提高，表明增加基因簇拷贝数是一种有效且直接提高结构基因转录水平的策略，也暗示着结构基因的转录强度对井冈霉素生物合成有重要作用。实验室3L反应器发酵结果与摇瓶发酵相似，重组菌的井冈霉素产量达到20.8 g L-1，比野生菌提高了1.8倍，表明该重组菌有工业应用的潜力。 井冈霉素工业发酵需要大量淀粉为碳源，占培养基成本70％左右，因此开发一种以生物质水解液为碳源的廉价培养基不仅有利于降低生产成本，同时也避免了消耗淀粉类粮食。从5008菌株的代谢图可以发现木糖理论上可以通过更短路径转换为井冈霉素合成前体S7P，以木糖为主的生物质原料生产井冈霉素有一定的可行性。因此我们尝试选用以木糖为主的玉米芯水解液（又称木糖母液）生产井冈霉素。我们首先考察了野生菌以不同浓度玉米芯水解液为碳源对井冈霉素发酵影响，发现以13%（v/v）的玉米芯水解液为碳源井冈霉素产量最高（为9.6 g L-1）。进一步通过单糖和混合糖实验发现在玉米芯水解液的三种主要组分-葡萄糖、木糖和阿拉伯糖中，木糖对井冈霉素的生物合成起主要贡献。利用重组菌并结果补料发酵策略使井冈霉素的水解液发酵产量最高达到17.3 g L-1，接近在大米粉培养基中的产量，而原料成本有效降低，具有工业应用潜力。 本论文研究结果表明，今后一方面可以从提高UDP-葡萄糖供给方面进一步改造菌株来提高井冈霉素发酵产量，另一方面也可以通过提高菌株在水解液中的耐受度来提高水解液中井冈霉素发酵产量。本论文的研究结果不仅为下一步菌株的代谢工程改造提供了基础，也为降低工业发酵培养基成本做出有益探索。同时本研究为其他重要抗生素的发酵生产提供借鉴作用。