番茄红素是一类具有很强抗氧化性的类胡萝卜素,在食品、医药等行业有着十分广泛的应用。目前市场上番茄红素制品（含量约5%）价格大约在1000 RMB/kg,这种番茄红素一般都是通过多步化学合成或者天然产物提取获得,由于化学合成的复杂性及天然产物提取较高的成本限制了其工业化生产。得益于合成生物学的不断发展,通过微生物发酵法来生产番茄红素得到了人们的广泛关注。本研究利用代谢工程手段及相关策略构建了能够生产番茄红素的大肠杆菌工程菌株:主要利用过表达代谢途径相关基因、选用合适的表达载体、启动子筛选、功能基因整合表达和发酵罐发酵等手段来提高番茄红素产量。为了获得更多异戊烯基焦磷酸异构酶（isopentenyl diphosphate isomerase,IDI）和脱氧木酮糖磷酸合成酶（1-deoxyxylulose-5-phosphate synthase,DXS）相关功能基因资源,本研究选取来源于大肠杆菌（Escherichia coli）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、粘细菌（Myxococcus stipitatus）、戈壁奇球菌（Deinococcus gobiensis）的四种idi和dxs基因,分别克隆到表达载体,将其与含有合成番茄红素基因的pTRC99aEBI质粒共同在大肠杆菌中进行异源表达。结果表明,来源于粘细菌的idi和dxs基因可以获得最高的番茄红素产量,分别达到了10.86 mg/g DCW（Dry Cell Weight）、7.94 mg/g DCW。协同表达经过密码子优化的idi、dxs基因,番茄红素产量达到了15.26 mg/g DCW。通过比较不同来源的IDI和DXS,获得了新的基因资源,为番茄红素的代谢途径改造提供了新的思路。根据大肠杆菌密码子的偏好性,将合成番茄红素的CrtE、CrtB、CrtI基因进行优化,并通过全基因合成得到CrtEBI基因。利用高拷贝质粒pTRC99a和中拷贝质粒pCDFDuet1质粒,构建了四种不同类型的表达质粒。结果表明,质粒pCDF-EBI和质粒pCDF-IEB番茄红素产量分别达到10.92、11.45 mg/g DCW,比pTRC99a-EBI和pTRC99a-IEB高约27%。为了简化重组大肠杆菌生产番茄红素的生产工艺,降低生产成本,选取大肠杆菌中17个由转录因子调控的基因,克隆其启动子序列,与编码番茄红素的报告基因CrtEBI相连,构建重组大肠杆菌。通过比较不同菌株合成番茄红素的能力,确定最佳的启动子。结果表明,含有启动子P_lpp、P_mglb等的菌株合成番茄红素的能力较强,相较于含有pTRC99aEBI菌株,番茄红素产量提高了约50%。为了获得遗传稳定的菌株,通过整合表达将目标功能基因整合至基因组上,并通过抗生素筛选获得高拷贝的工程菌株,构建了能够稳定遗传的产番茄红素工程菌株,并进行了5 L发酵罐实验。实验结果表明,番茄红素的单位体积产量得到了118.75mg/L,比摇瓶实验提高了约10.1倍;番茄红素的单位细胞产量得到了9.24 mg/g DCW左右,比摇瓶实验提高了约25%,从而进一步提高了番茄红素产量。