【研究背景】自第一株转基因烟草于1983年诞生已有近40年,植物生物技术研究在全球各个国家和地区蓬勃发展,显著地推进了农业生产和社会发展。目前,转基因作物的研发和商业化仍在稳步发展。基因编辑技术的横空出世为作物改良创造了无限的可能。然而,基因编辑目前仍然存在一定的应用局限,如当下对植物基因组中大部分基因的功能了解十分有限,甚至没有可利用的基因资源等不利现状严重制约了植物基因组的定向设计和改造。因此,传统转基因生物技术仍然不可替代。两者相辅相成。但是,需要探索更多新技术和新方法以满足当下精细化、智能化的分子设计育种的发展需求。传统转基因作物改造多以组成型表达为主,亟需更广泛的开展了基因定向表达技术研究。植物定向表达技术可通过对底盘作物进行分子设计改良,选择优良性状的基因并筛选特异性表达的启动子,并结合其他调控元器件构建基因定向表达模块以实现基因的定向表达和智能表达。同时,根据改造目的可以同时组建多个表达模块以实现多基因定向表达策略。【材料与方法】根据植物定向改造的方向选择合适的目标基因,以预期表型为依据选择合适的启动子等调控元件;通过生物信息学方法分析、预测和筛选组织特异性或条件诱导性等特异性启动子,结合分子生物学手段验证启动子的功能并筛选出合适的启动子;选择上述设计的元件并结合其他调控元件组建基因表达模块以实现基因的定向表达和智能表达。【预期结果】1.通过定向改造生物的目标为导向,选择优良的目标基因,包括植物内源基因和优良的外源基因;2.克隆可实现定向表达的植物内源启动子或人工设计改造的启动子,包括组织特异性启动子及条件诱导性启动子等;3.选用合适的植物表达载体,将启动子、目标基因及其他调控元件进行有机整合,构建基因定向表达模块;4.将上述一个或多个模块通过转基因技术导入受体植物中,通过分子检测结合表型检测等技术手段筛选复合预期的优良的转化体或者转化事件。【结论】聚焦作物遗传改良,根据改造目的选择合适的基因以及相关调控元器件,人工设计并构建基因表达模块,将表达模块导入植物体中可实现基因的定向表达或智能表达。通过定向与特异改造而实现作物的精准设计和培育是作物遗传改良研究的重要科学问题,基因定向表达技术有望为该问题的解决提供重要策略与途径。