木质纤维素是自然界中含量丰富,来源广泛的可再生资源,木糖是木质纤维素水解液中主要成分之一,开发以木糖为底物的高值化学品生产工艺具有重要意义。1,2,4-丁三醇和3,4-二羟基丁酸是重要的平台化合物,在军事、制药、化工等领域具有重要用途。目前,化学合成法生产1,2,4-丁三醇和3,4-二羟基丁酸存在收率低、成本高、污染环境等问题,而生物法合成1,2,4-丁三醇和3,4-二羟基丁酸具有反应条件温和、环境友好等优点。本论文尝试对大肠杆菌（Escherichiacoli）进行代谢工程改造,实现以木糖为底物生物法合成1,2,4-丁三醇和3,4-二羟基丁酸。课题组前期构建了以木糖酸为底物生产1,2,4-丁三醇的重组菌株E.coli 4KI,本论文第二章以E.coli 4KI为出发菌株,过表达来源于月柄杆菌（Caulobacter crescentus）的木糖脱氢酶XylB与木糖酸内酯酶XylC,实现利用木糖生产1,2,4-丁三醇。接下来通过敲除ptsG,阻断PTS系统,解除碳源代谢阻遏,提高木糖的转运速率及代谢速率,将1,2,4-丁三醇的产量提高至9.79g/L;进一步采用Red重组技术将xylBC敲入到E.coli基因组,通过补料分批发酵,将1,2,4-丁三醇产量提高至23.55 g/L,生产效率达到0.49 g/[L·h];最后通过敲除葡萄糖-6-磷酸异构酶编码基因pgi,增强葡萄糖经磷酸戊糖途径代谢提供1,2,4-丁三醇合成所需NADPH的效率,在5 L发酵罐内,1,2,4-丁三醇产量达到36.63 g/L,生产效率为1.14 g/[L.h];以玉米芯水解液为底物时,1,2,4-丁三醇的产量为43.4 g/L,生产效率为1.09g/[L·h],1,2,4-丁三醇的产量及生产效率为目前报道的最高水平。本论文第三章将xylBC敲入到E.coli 4KI基因组,敲除醇脱氢酶YqhD的编码基因,利用质粒pACYCDuet过表达来源于氧化葡萄糖酸杆菌（Gluconobacteroxydans）的醛脱氢酶Gox0499,构建了以木糖为底物生产3,4-二羟基丁酸的重组菌株。接下来通过敲除ptsG,解除碳源代谢阻遏,提高木糖的转运速率及代谢速率,提高了 3,4-二羟基丁酸的产量。进一步利用含有Ptac启动子的质粒pETPtac过表达Gox0499,将3,4-二羟基丁酸的产量提高至11.62 g/L。最后将Gox0499敲入到E.coli基因组上,5 L发酵罐内3,4-二羟基丁酸的产量可达到16.63 g/L,生产效率为0.35g/[L.h];以玉米芯水解液为底物时,3,4-二羟基丁酸的产量为15.7g/L,生产效率为0.39g/[L·h],3,4-二羟基丁酸产量及生产效率为目前报道的最高水平。综上所述,本论文构建了以木糖为底物,高效生产1,2,4-丁三醇和3,4-二羟基丁酸的重组菌株,有关研究为木糖资源的开发利用提供了切实可行的解决方案,可为利用木糖的非磷酸化代谢途径生产高值化合物提供理论依据,具有一定的指导意义。