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本研究借鉴合成生物学方法构建了Bacillus subtilis异丁醇合成菌株；围绕―构建模型—预测靶点—指导实践‖的系统代谢工程改造策略，建立了B. subtilis异丁醇合成菌株基因组尺度代谢网络模型指导的理性代谢途径改造方法，提高了菌株的异丁醇合成能力。为了获得稳定的B. subtilis异丁醇合成菌株，本工作构建了由B. subtilis强启动子P43、Lactococcus lactics kivd基因与Saccharomyces cerevisiae adh2基因组成的异源Ehrlich途径，并将其整合至宿主染色体上。微氧条件下（20%装液量，240rpm，37°C，密封瓶口），重组菌株BSUL02-1的摇瓶产量达到0.93±0.12g/L异丁醇。为了强化该菌株的产醇能力，引入由P43、B. subtilis alsS基因、Corynebacterial glutamicum ilvC和ilvD基因组成的异源α-酮异戊酸合成途径，获得菌株BSUL03。在微氧条件下，以初始浓度20g/L葡萄糖为底物，18h补加葡萄糖至初始浓度，菌株的摇瓶产量达到2.62±0.19g/L。为了有效提高BSUL03的异丁醇合成能力，本研究建立了模型指导的菌株理性代谢改造方法。首次采用基元模式法分析了B. subtilis异丁醇合成菌株基因组尺度代谢网络模型，获得239个合理的异丁醇合成模式。在此基础上，根据通量相关性与通量灵活度分析，预测出12个能够显著影响菌株异丁醇合成的靶基因。为了考察模型预测的准确性，选择ldh与pdhC敲除靶点，分析了模拟突变菌株的胞内代谢通量分布。通过构建双缺失突变菌株BSUL05的实验，验证了在双阶段分批补料（好氧-微氧，40%装液量，初始葡萄糖浓度10g/L，低于1g/L时补加1.6mL500g/L葡萄糖）条件下，BSUL05的发酵罐产量较BSUL03提高70%，约为5.5±0.3g/L异丁醇；得率提高83%至0.31±0.02C-mol异丁醇/C-mol葡萄糖，达到理论得率（0.59C-mol/C-mol）的53%，表明该模型能够准确预测靶标基因并指导菌株改造。在模型预测指导下，本工作对BSUL05进行了理性改造以提高菌株的异丁醇合成能力。通过敲除pgi基因、过表达B. subtilis zwf基因和Escherichia coli udhA基因，构建了菌株BSUL08。该菌株NADPH浓度提高为亲株BSUL05的2.6倍，且胞内还原力得到良好平衡。在双阶段分批补料条件下，BSUL08的发酵罐产量较BSUL05提高11%，达到6.12±0.53g/L异丁醇；得率提高19%达到0.37C-mol异丁醇/C-mol葡萄糖，为理论得率的63%。该结果表明了代谢网络模型对菌株理性改造的指导意义，揭示了胞内还原力状态对异丁醇生物合成的重要性。