微生物能够利用多种营养物质并适应于持续变化的环境条件。葡萄糖是能够被大肠杆菌快速吸收从而维持其生长代谢的重要碳源,也是包括木质纤维素在内的许多生物质资源的主要成分之一。葡萄糖主要通过磷酸转移酶系统(phosphotransferase system, PTS)被宿主细胞磷酸化和内质化,然后才能进一步被菌体分解代谢,参与并维持菌体的生理活动。一般来说,只有当PTS途径受到阻碍,才会激活非PTS途径以维持菌体生存代谢。Kundig, Ghosh和Roseman等人在大肠杆菌中首次发现了PTS,并证明它是一个能够使一系列己糖(包括N-乙酰甘露糖胺、葡萄糖、甘露糖葡萄糖胺等)发生磷酸化并内质化的系统。PTsGlc是葡萄糖专一性的PTS途径,也是野生型的大肠杆菌吸收葡萄糖的主要方式。该途径是一条由EI、HPr、EIIAGlc和EIICBGlc四个转运蛋白组成的磷酸传递链,依次分别由ptsI、ptsH、crr和ptsG基因编码。PTS的突变特别是ptsG基因的缺失降低了PTS途径转运葡萄糖的能力,同时磷酸传递链中EIIAGl0的磷酸化水平的提高导致cAMP-CRP浓度提高,进一步增强了乙酸的清除。因此在该缺陷型菌株中乙酸积累浓度大大下降,这种变化有助于菌体生长代谢积累目的产物。然而,对于PTSGlc磷酸传递链上这四个基因的单独缺失对菌体生理特性的影响一直没有较为系统的分析及比较。本论文首先通过一步敲除法借助pTKRed质粒表达的λ-Red重组酶的作用获得了大肠杆菌K-12系列W3110菌株的PTSGlc的单基因缺陷型菌株W3110I(△ptsl), W3110H (△ptsH), W3110C (△crr)和W3110G (△ptsG)。以野生型的W3110为对照,以添加葡萄糖单碳源的无机盐培养基AM1为发酵培养基在摇瓶中进行好氧发酵实验,并进行相关生理参数测定和分析。根据发酵结果比较了PTSGlc不同单基因的缺失在大肠杆菌生长速率和生长延迟期方面的特点,发现敲除菌株均有不同程度的生长延迟现象,其中W3110I延时期最长约为40h,W3110C最短约为4h。四个pTSGlc单基因缺陷菌株的最大生长速率均比野生型W3110低,但最大生物量较野生型W3110更高。此外,还结合荧光定量PCR的数据结果分析了这四个突变菌株在乙酸积累方面的特点,PTSGlc缺陷菌株均表现出乙酸积累量的降低,W3110I没有检测到乙酸积累,W3110G菌株较其它三个PTSGlc单基因缺陷菌株而言乙酸分泌量最少,为0.346g r1,仅为野生型W3110的大约四分之一。总的来说,由PTSGlc单基因缺失导致的菌体的生长与乙酸分泌特点同葡萄糖的消耗速率是密切相关的。PTS不但是大肠杆菌转运碳源主要途径,它还是整个细胞内调控全局代谢的重要信号,其磷酸传递链中蛋白的磷酸化水平直接或间接影响菌体的生长、代谢以及产物分布。当葡萄糖与其它碳源同时存在时,常因为PTS的全局信号调节作用引起不同碳源间出现分解代谢抑制(CCR)的现象,使其它碳源的吸收代谢被阻滞。如,葡萄糖是大肠杆菌最偏好利用的碳源之一,以含有葡萄糖和其它糖类的混合碳源进行培养时,葡萄糖会被菌体快速吸收而其它糖类的吸收被阻碍。当葡萄糖耗尽后,其它糖才能被利用。造成这种CCR现象的主要因素是PTS中转运蛋白的磷酸化的水平,但还有其它一些因子也参与到调控过程中。本文第三章探究了PTSGlc单基因的缺失在葡萄糖对木糖的CCR作用的影响。虽然PTSGlc中任意单基因的失活都能解除CCR现象,使得葡萄糖和木糖能够被共利用,但是不同突变菌株中两种糖的消耗速率不尽相同。当葡萄糖与木糖质量浓度比为1：1时,W3110G菌株消耗葡萄糖和木糖的速率几乎相等,W3110I和W311OH菌株中,木糖消耗速率均高于葡萄糖,而W3110C菌株则表现出更高的葡萄糖消耗速率。这个结果说明PTSGlc组分的缺失改变了大肠杆菌碳源利用的层级结构。而后,我们还发现并分析了当混合碳源中葡萄糖和木糖浓度比不同的条件下,不同的PTSGlc单基因缺陷菌株具有不同的糖耗速率的特点。我们认为利用这些特点,或许在提高微生物利用不同葡萄糖和木糖浓度比例的木质纤维素水解液生产有价值代谢产物的产率方面有着潜在的价值和意义。我们已经知道,PTSGlc单基因的突变会影响好氧条件下大肠杆菌的生长、碳源转运、乙酸分泌以及碳源间的分解代谢抑制。在第四章中,我们又进一步探究了在厌氧条件下其对于代谢产物分布的影响。野生型W3110混合酸发酵产物中主要成分为乳酸,W3110C产物中以乳酸和乙酸居多,W3110G中乙酸的比例最高,而W3110H菌株具有非常明显的积累琥珀酸的优势。我们通过对大肠杆菌核心代谢途径的分析解释了PTSGlc影响碳代谢流的分布的原因,其中磷酸烯醇式丙酮酸和丙酮酸是两个重要的碳代谢流分支节点。我们以ptsH和pykF两个基因的缺陷菌株提高琥珀酸产量为例,证明ptsH的缺失能有效地改变PEP的去向并积累琥珀酸。这一研究对于厌氧发酵代谢工程大肠杆菌大量积累目的产物有着重要的意义。