在自然界中,基于莽草酸途径合成的植物天然产物种类繁多,具有多种生理活性,其在有机生命体中发挥着重要的作用。植物提取和化学合成是获取植物天然产物的主要途径。然而,植物提取方法具有多种限制性因素,比如植物资源有限、产物含量低、提取率低等,无法满足生产需求;化学合成过程复杂、有毒物质生成,不宜采用。微生物合成具有生长快、营养需求低、产物易分离纯化等优势,逐渐成为植物天然产物获取的有效途径。本研究通过在微生物中设计、改造并构建新的合成途径,以实现莽草酸途径衍生物红景天苷(SD)、迷迭香酸(RA)及其类似物的异源合成。红景天,俗称“高原人参”,是一种传统的中草药,能够增强免疫力、提高记忆力和学习能力,减轻高原反应,己有很长的食用历史。SD是植物红景天中的重要活性物质,富含多种生理功能,如抗疲劳、抗炎、抗心血管疾病、神经细胞保护等,在食品、医药领域备受青睐。本研究通过对酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)进行系统的改造,以获取SD的高产菌株。S.cerevisiae含有Ehrlich代谢途径,可以将酪氨酸(TYR)转化生成酪醇,产量约170mg/L。在此基础上,本研究以S.cerevisiae BY4742为原始菌株,过表达植物欧芹(Petroselinum crispum)来源的芳香醛合酶(PcAAS),酪醇产量提升至401 mg/L。为了获得更适合S.cerevisiae生产SD的糖基转移酶(UGT),本研究通过生物转化实验,从多个不同植物来源的UGTs中,筛选出了一个催化效率最高的UGT,该酶是来源于植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)的AtUGT85A1。在S.cerevisiae中,过表达PcAAS和AtUGT85A1时,SD产量达到79 mg/L。为了进一步提高SD的产量,本研究通过减轻反馈抑制、过表达莽草酸激酶(AROL)的方法,增强TYR合成途径代谢流,使得SD产量提升至107 mg/L。为了获得稳定性遗传菌株,本研究将SD合成途径中所有过表达基因整合到酵母基因组中,产量达到239 mg/L。最后,通过5-L的生物反应器进行扩大培养,使SD产量提升至732 mg/L。迷迭香酸是由咖啡酸(CA)和丹参素(DHPL)缩合而成的酚酸酯类化合物,在植物中分布广泛,具有多种生物活性,如抗病毒、抗氧化、抗炎、神经保护等。本研究通过在TYR优化的大肠杆菌(Escherichiacoli)中过表达植物乳酸杆菌(Lactobacillus plantarum)来源的乳酸脱氢酶(LDH),E.coli来源的4-羟基苯基乳酸-3-羟化酶(HpaBC),A.thaliana来源的4-香豆酰CoA连接酶(At4CL),植物彩叶草(Coleus blumei)来源的迷迭香酸合成酶(CbRAS),添加2mMCA的条件下,生物合成RA、咖啡酰-4-羟基苯基乳酸酯(IA),产量分别达到127mg/L、252 mg/L。此外,在本研究中还发现了一个新的化合物-咖啡酰苯基乳酸酯(CP),产量约55 mg/L。为了进一步的验证CbRAS的底物宽泛性,本研究对含有At4CL和CbRAS的重组菌株进行多种底物的生物转化实验,研究发现4-香豆酸(pCA)、CA、阿魏酸(FA)、3-(4-羟基)苯丙酸(HPPA)、3,4-二羟基苯丙酸(DHPPA)可以作为CbRAS的酰基供体,4-羟基苯基乳酸(HPL)、3,4-二羟基苯基乳酸(DHPL)、苯基乳酸(PL)、扁桃酸(MA)、酪醇可以作为CbRAS的酰基受体。在CbRAS的催化下,缩合生成21个化合物。其中,14个化合物为新化合物,这为合成新的RA类似物奠定了基础。3-(4-羟基苯基)丙酸(HPPA)属于芳香类酚酸化合物,可以作为药物盐酸西曲酸酯、盐酸艾司洛尔的中间体,也可以作为杨梅醇、根皮素等植物天然产物合成的前体,在医药、化学等领域具有重要的经济价值。本研究通过在S.cerevisiae中过表达约氏黄杆菌(Flavobacterium johnsoniaeu)来源的酪氨酸裂解酶(FjTAL)、A.thaliana来源的 At4CL,同时利用S.cerevisiae来源的超长链烯酰CoA还原酶(ScTSC13)、硫脂水解酶,实现了HPPA的从头合成,产量达到70 mg/L。