铁元素是几乎所有生物的必需营养素之一。尽管铁元素在自然界非常丰富,但其通常以不溶/高度难溶的化合态存在,如羟基氧化铁,几乎无法被生物直接获取。环境中铁离子的生物可利用浓度约为10^-9-10^-18 mol/L,通常低于使细胞达到最佳生长并进行重要的生理和代谢过程的要求。为了生存,竞争和繁殖,包括细菌在内的环境微生物进化出一种高效的铁获取机制:铁载体（siderophore）介导的铁转运-提高铁离子的生物可利用浓度,使细胞能够在自然栖息地中获得铁。希瓦氏菌（Shewanella）属于革兰氏阴性,?-变形菌门的细菌,以极端复杂多样的呼吸途径闻名,并因此在生物修复和生物能源方面极具应用潜力。该属细菌的研究模式,奥奈达希瓦氏菌（S.oneidensis）,一直以来认为只能合成唯一的铁载体（putrebactin）;有些Shewanella种/菌株却能够合成三种不同铁载体（putrebactin,avaroferrin,bisucaberin）。然而,令人不解的是所有这些细菌都只拥有/使用一套高度保守的铁载体合成酶系:PubABC。本研究通过解析铁载体底物分子的生物合成途径解答了该问题。当铁载体被分泌到胞外,其与Fe³⁺结合,形成Fe³⁺-铁载体复合物,其识别及转运通过细菌细胞外膜由铁载体受体介导。在S.oneidensis中,铁载体受体PutA负责应答Fe³⁺-putrebactin复合物,其缺失阻止复合物进入,导致细胞内部铁缺乏,进而诱导细胞合成更多的putrebactin分子,因此putA突变株组成型过量表达putrebactin。在本研究中,我们利用putA突变株的这一特性解析S.oneidensis中铁载体及其底物分子的生物合成途径。我们从ΔputA上清液中鉴定了三种铁载体:putrebactin,avaroferrin,bisucaberin。其中,putrebactin是最主要的铁载体,前体为腐胺（putrescine）,bisucaberin的前体为尸胺（cadaverine）,avaroferrin的前体为腐胺和尸胺。添加一定量的尸胺能够提高avaroferrin和bisucaberin的相对产量,表明细胞底物池能够改变铁载体的合成比例。通过Chrome Azurol S（CAS）分析法和LC-MS分析,我们证明了腐胺主要是通过精氨酸脱羧酶（ADC途径）从精氨酸间接合成的,这与先前的关于鸟氨酸脱羧酶SpeF（ODC途径）是主要的腐胺生物合成酶的报道不符。此外,腐胺合成途径的缺失会导致生长缺陷,说明ADC途径对细胞的正常生理活动非常重要。进一步研究发现腐胺的生物合成相当稳定,不会随铁和铁载体的浓度而变化,也不受细胞铁稳态调控因子Fur的调控。在大量产生铁载体的ΔputA中,亚精胺合成酶的表达显著降低。由于亚精胺的生物合成消耗了腐胺,因此该结果表明低铁环境中大部分腐胺被用于铁载体合成,导致多胺合成的短缺。为了进一步验证,本研究在体外进行了酶学分析。在大肠杆菌（Escherichia coli）BL21（DE3）中表达赖氨酸和鸟氨酸脱羧酶的同源蛋白的重组蛋白,包括SO₁769,SO₁550,SpeA,SpeC,和SpeF,纯化后以赖氨酸或鸟氨酸为底物进行酶促反应。通过HPLC分析和酶反应常数测定,发现SpeC和SpeF是双功能的脱羧酶,具有赖氨酸和鸟氨酸脱羧酶活性。其中,SpeC具有最高的赖氨酸脱羧酶活性,显著超过了SpeA和SpeF,表明SpeC在将赖氨酸转化为尸胺方面起着重要作用。尽管如此,SpeC和SpeF的主要生理作用似乎仍然是使鸟氨酸脱羧,因为其对鸟氨酸的K_m比对赖氨酸的K_m小得多。此外,speC基因的表达对铁载体和尸胺的浓度都有响应。speC启动子在产生大量铁载体的ΔputA中活性明显增强,在无铁载体产生的Δpub中活性显著减弱。同时,2 mM的外源尸胺对speC表现出抑制作用,消除了因PutA缺失而导致的speC表达上调。总体而言,通过鉴定新的铁载体及其底物分子的合成通路,本论文揭示了S.oneidensis利用脱羧酶的底物非特异性合成多种铁载体的分子机制,为细菌中多种铁载体的协同合成机理提供了新的见解。