D-1,2,4-丁三醇（BT）是一种高价值的化工品,可广泛用于军工、医药、烟草、化妆品、造纸、农业和高分子材料等领域。目前,丁三醇主要通过化学法合成。但由于化学法苛刻的合成条件,高成本,环境污染等问题,利用微生物法“绿色合成”丁三醇得到了广泛的关注。在前人的研究基础上,多个实验室初步构建了从D-木糖到丁三醇的四步合成通路,但合成产量和转化率都较低。本文在详细分析国内外研究工作后,发现两点不足:（1）现行的丁三醇合成途径活性较低,存在限速酶和潜在副产物途径;（2）过多关注了途径的构建,而忽略了宿主生长情况对丁三醇合成的影响。本研究基于以上两点不足,将限制丁三醇合成的因素分为三个模块:途径本身,辅因子和底物供给方式。通过途径本身的优化,辅因子平衡优化和底物利用模式优化,实现对丁三醇生物合成的全方面多角度优化。通过异源高活性途径酶的筛选,本研究首次确认了来自新月柄杆菌的高活性木糖酸脱水酶XylD_cc,而来自恶臭假单胞菌的苯甲酰甲酸脱羧酶MdlC依旧是目前最好的2-酮基-3-脱氧木糖酸脱羧酶。通过失活诱变,本研究首次确认了丁三醇生物合成的两条旁支途径YiaE和AspC。综合以上两结论,本研究初步构建了一株高途径活性丁三醇生产菌BT-01,丁三醇产量高达7.02g/L,摩尔转化率达52%。通过宿主胞内NADH/NADPH调控研究,本研究首次确认磷酸戊糖途径（PPP）是丁三醇合成所需NADPH的主要来源,适量过表达Zwf,可提高丁三醇产量。此外,失活转氢酶PntAB可使宿主快速达到NADH/NADPH新平衡点。本研究构建了一套高效的葡萄糖-木糖合成系统。该系统中,木糖为合成底物,负责合成丁三醇;葡萄糖为生长底物,负责维持宿主生长;敲除基因mtfA,既可实现葡萄糖和木糖的共利用,也可大幅度提高丁三醇产量。综合全部优化策略,得到丁三醇合成最优菌BT-02,其发酵终产量达7.23g/L,摩尔转化率为55%,为目前已报到的丁三醇产量及转化率最高菌株。