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谷氨酸棒状杆菌(Corynebacterium glutamicum,C.glutamicum)是一种重要的工业生产菌株,广泛应用于氨基酸、有机酸、药用蛋白等产品的大规模生产。在C.glutamicum工业化好氧发酵过程中,溶氧(dissolved oxygen,DO)是一个重要的控制参数,影响着目的产物的产量和质量。然而目前针对溶氧的研究主要在于控制策略的优化,对于溶氧响应机制的研究尚不清晰。本研究发现PhoPR双组分系统(two-component system,TCS)在C.glutamicum中能够响应溶氧水平变化,并以此对PhoPR TCS响应外界溶氧变化的规律和功能机制进行了研究。通过分析不同溶氧条件下C.glutamicum胞内基因的转录水平变化,发现PhoPR为C.glutamicum在不同溶氧水平下转录变化最明显的TCS。通过融合表达PhoPR启动子区和gfp基因,发现融合表达菌株在不同氧气浓度(正常氧、微需氧、无氧)环境下显示出不同的绿色荧光强度,且低氧环境下菌株的荧光水平更高,确定C.glutamicum中的PhoPR TCS能够感应环境中的氧气变化。通过实时荧光定量PCR(Real-time quantitative PCR,RT-qPCR)和电泳迁移率实验(electrophoretic mobility shift assay,EMSA)表明PhoPR TCS的效应蛋白PhoP能够直接调控代谢调控相关的全局调控因子glxR、糖酵解(Embden-Meyerhof-Parnas,EMP)途径中的关键基因pfk和gapA、三羧酸(tricarboxylic acid,TCA)循环中的关键基因aceE和gltA、电子传递链相关基因sdhCAB和ctaD以及细胞膜相关基因betP和proP,间接调控全局调控因子gntR1、σ因子sigB和sigC、乙醛酸循环中的关键基因aceA和aceB以及电子传递链基因ctaC和qcrB,证明了PhoPR TCS在C.glutamicum代谢调控中的重要地位和作用。进一步分析PhoPR TCS对C.glutamicum生理特征的影响,检测到胞内NAD~+/NADH水平随不同菌株(WT,ΔphoP,ΔphoR,OphoP,Opho R)中PhoPR表达水平的变化而变化,PhoPR的过表达会使细胞氧化态程度降低,还原态水平升高。并且PhoPR TCS能够影响胞内ATP生成的速度和峰值,PhoPR的高表达更有利于ATP的生成,推测此现象与PhoP对能量代谢相关基因的调控密切相关。基于以上结果推断PhoPR TCS能够感应外界氧气浓度的变化,并通过调节C.glutamicum的代谢活动,以帮助其适应新的氧气环境。本研究揭示了PhoPR TCS在低氧胁迫下对C.glutamicum的代谢和适应性反应调节中的作用,结果有助于工业生产过程中的溶氧控制策略优化及产品产量提高,同时还为新型细胞工厂的改造提供了靶点及理论支持。