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米尔贝霉素(milbemycins)是一类16元大环内酯类抗生素。由于高效低毒、易降解、无环境污染的优良特性,米尔贝霉素已作为生态友好型农药被商业化应用于多种农作物、经济作物及花卉的害虫防治,其半合成药物米尔贝肟被评价为最安全的抗寄生虫药,用于预防及治疗猫、犬类的寄生虫病。然而米尔贝霉素原料药较高的发酵生产及提纯成本限制了米尔贝霉素类药物的广泛使用。本文以米尔贝霉素工业生产菌株冰城链霉菌的全基因组、转录谱数据为基础,通过对冰城链霉菌中所有潜在的次级代谢生物合成基因簇的时序转录谱进行聚类分析,发现了与米尔贝霉素生物合成基因簇mil共表达的一个Ⅱ型聚酮类次级代谢物生物合成基因簇kel负责黄色化合物的合成。我们发现分别敲除kel簇内的调控基因kelR和结构基因kelCD对米尔贝霉素产量的影响是相反的,敲除结构基因kelCD提高了米尔贝霉素产量,敲除调控基因kelR却完全阻断了米尔贝霉素的产量。为了解释此现象并阐释kel簇与mil簇之间的关系,对调控基因kelR的功能及调控机制进行了解析,同时检测了敲除kelCD对米尔贝霉素合成所需前体酰基辅酶A浓度的影响,明确了米尔贝霉素和黄色化合物既竞争相同的前体又被来自于kel簇的转录因子KelR共激活的复杂关系。之后,通过转录组测序,发现了另外两个与mil共表达的基因簇cluster1-typeⅠPKS,cluster41-otherKS也被KelR调控。而敲除cluster1和cluster4 1中的核心生物合成酶基因提高了米尔贝霉素的产量。最终,基于上述三个生物合成基因簇与mil代谢竞争且共调控的关系,确定了敲除核心结构基因,同时过表达正调控基因kelR的工程改造策略,使米尔贝霉素A3/A4 产量提高到了 4058.2±71.0 mg/L。总之,本文鉴定了三个与米尔贝霉素合成基因共表达的次级代谢物合成基因簇,并详细阐述了冰城链霉菌中基因簇之间代谢竞争且转录共调控的复杂关系,提出了敲除核心合成酶基因并过表达转录激活子的工程改造策略,为米尔贝霉素高产菌株构建提供了基础。同时本文首次发现并阐释了一个新的米尔贝霉素生物合成的底层激活子KelR,为米尔贝霉素合成调控机制的解析提供了理论基础。