L-色氨酸是一种重要的芳香族氨基酸，不仅是蛋白质生物合成的基本构建块，还是多种高附加值化合物的重要前体，包括药物中间体、食品添加剂、营养品以及功能性化学品（Friedman, 2018; Richard et al., 2009）。由于其广泛的工业应用前景，全球对L-色氨酸的需求持续上升。与传统的提取和化学合成方法相比，微生物发酵在环境可持续性、工艺可扩展性以及经济可行性方面具有明显优势，因此成为工业生产L-色氨酸的主要方式（Ramos-Valdovinos & Martínez-Antonio, 2024）。在各类生产宿主中，大肠杆菌因其遗传背景清晰、生长迅速以及具备丰富的代谢工程工具箱，而被广泛用于构建L-色氨酸生产菌株（Ren et al., 2023）。
近年来，通过合理的代谢工程和进化工程策略，微生物L-色氨酸的生产水平得到了显著提升。常见的改进方法包括消除关键酶的反馈抑制、增加前体供应、阻断竞争性代谢途径、优化产物输出以及采用适应性实验室进化技术（Liu et al., 2023; Niu et al., 2019b; Tang et al., 2023）。然而，随着菌株工程的不断深入，进一步提升L-色氨酸产量面临着越来越大的挑战。在长期的代谢工程和适应性进化过程中，高产菌株往往会经历大量的生理和代谢适应性变化，涉及碳流重新分配、能量代谢、应激响应以及全局调控网络等方面的调整（Ma et al., 2017; Nielsen & Keasling, 2016）。这些适应性变化可能会带来新的代谢限制，使得仅依靠途径优化难以进一步改善菌株的性能。
组学技术的快速发展为揭示高产表型的内在机制提供了强大工具（Cho et al., 2022）。其中，转录组学作为一种系统级分析方法，可通过整体基因表达分析帮助识别工程改造靶点（Lee & Kim, 2015）。以往的研究已成功将转录组学分析应用于提高微生物生产氨基酸、有机酸以及天然产物的能力（Guan et al., 2017; Han et al., 2020; Yang et al., 2025; Zhao et al., 2022）。例如，通过对一种能生产60克/升L-苯丙氨酸的大肠杆菌菌株进行转录组学分析，研究发现，相较于增加前体供应，合理的碳流重新分配才是进一步提升产量的关键（Sun et al., 2023）。转录组学分析还有助于识别红霉素和核黄素生产过程中的代谢瓶颈，从而为制定针对性的工程改造策略提供依据（Ke et al., 2024; Shi et al., 2009）。更重要的是，转录组学分析能够有效识别出协调多个代谢模块的转录调控因子，为菌株改良提供新的靶点。例如，通过比较转录组学分析，研究人员发现YihL是大肠杆菌中此前未被认识到的L-色氨酸生物合成的负调控因子，删除该基因后可使L-色氨酸产量提升16.3%（Tang et al., 2023）。同样，在谷氨酸棒状杆菌中，通过整合转录组学和代谢组学分析，研究人员发现了glnK和sugR这两个新的调控靶点，对其进行工程改造后，可使L-色氨酸浓度提升至原来的16.5%，产量提升20.2%（Dong et al., 2026）。综上所述，这些研究充分体现了转录组学在识别新型调控靶点方面的重要作用。
在之前的研究中，我们通过生物传感器辅助的高通量筛选、ARTP突变以及合理的代谢工程手段，构建了一种能够生产L-色氨酸的大肠杆菌工程菌株W-24（Zhu et al., 2026）。尽管该菌株在5升生物反应器中进行40小时的补料分批发酵时，能够产生50.83克/升的L-色氨酸，葡萄糖产出率为0.185克/克，但其高产表型背后的全局转录适应性变化至今仍未得到充分研究。因此，我们对比分析了野生型菌株与W-24菌株之间的差异，以及W-24菌株在不同发酵阶段的表现，旨在系统研究L-色氨酸过量生产过程中代谢网络和调控网络的动态变化。基于这些转录组学数据，我们筛选出了具有潜在工程价值的调控因子，并进行了实验验证。此外，我们还通过非磷酸转移酶系统途径工程对葡萄糖利用途径进行了合理改造，以提高前体物质的利用效率和碳转化效率。本研究不仅加深了我们对L-色氨酸过量生产背后转录调控机制的理解，还为培育高性能芳香族氨基酸生产菌株提供了实用的工程策略。
