以玉米籽粒为生物反应器生产重组蛋白具有诸多优势，这些优势包括其具有真核生物的翻译后修饰系统、人和动物病菌污染的概率较低、相对高的蛋白含量以及低的生产成本。但是，一个限制因素就是目前用于驱动外源基因表达的组织特异性启动子的数量少，尤其是可用的胚特异性启动子非常有限。本论文基于基因芯片分析开展了全基因组水平、规模化鉴定玉米胚特异性高表达基因和启动子的系统研究。我们利用本实验室的一套包括14种玉米不同组织及发育时期的芯片表达数据，鉴定出28个胚优先高表达的基因；并对这些基因的表达水平以及表达的组织特异性进一步用公共数据库UniGene中的表达数据以及实时定量PCR进行了验证。最终以玉米胚特异性高表达基因globulin-1为参照基因，获得了表达量均比对照基因高的7个胚特异性基因，分别为Zm.2098、Zm.13387、Zm.66589、Zm.85502、Zm.68129、Zm.3896和Zm.2941。将其中除Zm.2098外6个基因的启动子克隆并融合到报告基因GUS的5’端，通过基因枪介导转化授粉后20天的玉米幼胚进行瞬时表达分析发现，各启动子均表现出很强的启动子活性。在稳定的转基因玉米中检测其中部分启动子的表达强度和组织特异性的结果表明，所有验证的启动子在授粉后的四个时期(15天、20天、25天、30天)的玉米幼胚中，均比对照globulin-1启动子的活性强。其中启动子P2941、P3896是严格的胚特异性启动子，而P85502在正常生理条件下是严格的胚特异性启动子，但它在机械损伤条件下会在种子以外的组织中表现出诱导型表达的特性。P13387在不同时期的胚和糊粉层组织中均可表达，但在非种子组织中表现出伤诱导表达的特性。本论文研究鉴定获得了一些新颖的胚特异性强启动子，可用于玉米籽粒发育相关基因的功能和表达调控研究以及高水平表达重组蛋白的生物技术产品的研发。本研究的另一部分工作是关于双向基因对和双向启动子。双向基因对在人类、微生物、拟南芥、水稻和杨树基因组中广泛存在，但是在玉米中未见报道。而双向启动子在多基因转化应用中具有其独有的优势——同样数量的双向启动子比单向启动子驱动更多的基因、避免重复利用同一个启动子引起的基因沉默、表达的基因的同步性较好。通过修饰后的搜寻模型在玉米全基因组中搜寻发现共有1696个双向转录本对。利用Blast2GO进行功能聚类发现：质体、膜(主要是细胞膜)、线粒体以及细胞核是双向基因表达产物主要靶向的细胞器。而与单核苷酸及核酸结合、转移酶活性、水解酶活性是双向基因表达产物的主要分子功能。其参与的生物学过程则主要有生物合成、含有碱基成分复合物的代谢、蛋白质的代谢以及应答刺激。分离驱动这些双向基因表达的双向启动子并利用玉米幼胚瞬时表达系统鉴定了156个启动子，其中共有34个启动子表现出双向启动子的特性，即驱动融合在其两端的GFP和GUS报告基因的表达。进一步分析高粱、水稻、大豆和拟南芥的基因组发现，其基因组中均大量存在这种基因结构形式，分别为603、2809、654和4386对，分别占转录本总数的4.1%、8.46%、2.3%和24.78%。而且这些基因的功能聚类结果与玉米的非常类似。比较分析玉米的双向基因在上述四种物种中的同源基因时，发现四个物种含有数量非常接近的同源基因。但在单子叶植物中的同源基因成对存在的比率远高于双子叶植物。再通过比较分析玉米、二穗短柄草、江南卷柏和绿藻中之间双向基因的同源基因发现，双向基因在物种进化中得到了保留，双向基因对这种结构形式也得到了保留，但组成双向基因对的具体基因组成却发生了变化，这也可能是形成新物种的条件之一。