D-1,2,4-丁三醇（D-1,2,4-butanetriol,BT）是一种重要的非天然四碳平台化合物,广泛应用于军工、医药、烟草等领域。近年来,研究者对重组大肠杆菌进行敲除分支代谢途径、过表达关键酶及分子伴侣辅助蛋白折叠等改造加强BT合成通路,但产量仍然有限。其中,木糖分支途径缺失不利于生物量积累,低效率的脱羧反应是BT合成的限速步骤。基于此,本研究首先通过筛选高效脱羧酶解除限速步骤,其次分别采用反义RNA技术微调木糖代谢流及弱化葡萄糖效应实现葡萄糖、木糖共底物发酵的策略提高菌体生物量,最后通过培养条件优化实现BT高产。脱羧反应是BT合成途径的限速步骤。为提高脱羧效率,分别从乳酸乳球菌和阴沟肠杆菌基因组中克隆2-酮异戊酸脱羧酶基因kivD及吲哚丙酮酸脱羧酶基因ipdC,并构建重组表达菌株。SDS-PAGE电泳发现重组蛋白表达水平相似。发酵结果显示,携带kivD基因的重组菌株尽管生物量略有降低,但BT产量较对照菌株提高53%,达到1.3 g·L^-1。而携带ipdC基因菌株发酵液中并未检测到BT。上述结果表明来自乳酸乳球菌的2-酮异戊酸脱羧酶KivD能高效催化BT合成途径的脱羧反应。为了提高菌株生长能力,采用反义RNA技术微调木糖异构酶表达水平以平衡菌体生长及BT合成。四个反义表达菌株的Xyl A转录水平均受到不同程度抑制,且菌体生物量及BT产量均得到相应提高;BT最高产量达到3.9 g·L^-1,比对照菌株提高200%。此外,通过对葡萄糖效应相关基因敲除,发现ptsHI、mgsA基因敲除可以有效弱化葡萄糖效应实现葡萄糖、木糖共底物发酵。与出发菌株相比,ptsHI、mgsA双缺菌株生物量提高1.1倍,BT产量提高6.5倍达到6.0 g·L^-1。与反义RNA重组表达菌株相比,葡萄糖效应弱化菌株具有明显发酵优势,并将其作为后续研究出发菌株。为进一步提高BT产量,对发酵培养基中葡萄糖、木糖及LB浓度进行优化并通过添加CaCO₃来调节发酵液pH,摇瓶培养重组菌株BT产量提高至12.2 g·L^-1。随后对发酵罐培养条件进行优化,在5 L发酵罐中,经分批补料发酵BT产量达到14.9 g·L^-1。最后,尝试以蔗渣水解液为底物发酵合成BT,在初始木糖8.4 g·L^-1、葡萄糖16.8 g·L^-1的蔗渣水解液中重组大肠杆菌展现出较强的发酵性能,BT产量达到3.5 g·L^-1,摩尔转化率高达84.8%。值得注意的是,本研究的摇瓶发酵及上罐发酵水平均优于已有报道。