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尽管基因表达的最终产物受到多级水平调控，启动子在决定基因的时间和空间表达模式以及转录水平上发挥着非常重要的作用。目前对启动子的研究多是局限于个别顺式作用元件的鉴定与功能分析，从基因组水平对这些调控元件进行分析的报道并不多见。
组成型启动子在转基因植物的研究中得到了广泛运用，而且多数情况下带来了巨大的效益，然而在所有组织中持续高效表达目的基因也给植物生长带来了不利影响。组织特异启动子作为一类专一性启动子，能指导外源基因在植物发育过程中某一特定时空表达，它不仅能使目的基因的表达产物在一定空间积累，增加区域表达量，而且也避免了植物营养的浪费。此外，植物的种子与人类的生产生活关系非常密切，因此也成为植物基因工程中进行改良的重要目标材料。所以，利用种子特异性启动子控制目的基因在种子中特异表达具有重要的理论和实践意义。
在过去的研究中，通过超表达SOD或其他活性氧清除酶来提高植物抗胁迫能力的例子已经屡见不鲜。绝大多数情况下，这些转基因植株表现出了较野生型提高的抗臭氧、冻害、盐胁迫或者百草枯的能力。然而这些研究多是利用组成型启动子35S来驱动仅仅一个抗氧化酶过量表达，通过组织特异启动子驱动多个抗氧化酶来提高植物抗逆性的研究仍然很少。
本课题首先以生物信息学为手段，检索四个种子特异元件RY，Prolamm-box（PROL），GCN4和AACA在拟南芥和水稻基因组上的分布，进而分析这些元件在基因组中ATG上游的存在位置、元件组合中的元件间距特点以及对链的偏好性等，再结合网络资源（Gencvestigator）从拟南芥中找到30个可能的种子特异基因，从中选取了一个AT2S3并对其启动子的表达模式进行详细分析，最后再利用该启动子驱动抗氧化基因在拟南芥种子中特异地超表达。主要研究结果如下：
（1）首先检索四个种子特异元件RY、PROL、GCN4和AACA在拟南芥和水稻基因组启动子上出现的频率。从物种上看，以每10，000个基因所出现的元件数目进行比较，RY在水稻和拟南芥基因组中出现的数目相差不多，PROL、GCN4和AACA在水稻中的出现频率分别是在拟南芥中的出现频率的2.07倍、2.84倍和1.97倍；无论是在哪个物种的基因组中，四个元件在正链和负链的存在数目均相差不多，没有方向的偏好性；在元件之间进行比较发现，PROL和AACA在两个物种中的出现频率均远远多于另外两个元件。
（2）通过分析四个元件与ATG的距离发现，RY和AACA在水稻和拟南芥的基因组中ATG上游总体分布比较均匀；GCN4和PROL在拟南芥基因组上的分布总体上也比较均匀，但是在水稻基因组上多集中在距离ATG较近的位置，0-300bp之间出现的元件个数明显高于其他位置。
（3）由相同或不同元件组成的组合在拟南芥和水稻基因组上的分布绝大部分都有这样的特点：两元件间距为0-100bp时相应的组合数最多，随间距的增大元件组合数越来越少；元件组合在两种基因组上的分布都存在链的偏好性/方向性。
（4）结合基因组文件分析结果和芯片数据（Genevestigator），我们在拟南芥中找到了30个启动子中包含RY元件、因而可能进行种子特异表达的基因，从中挑选了编码拟南芥种子贮藏蛋白albumin的基因家族成员之一AT2S3（AT4G27160）做了进一步分析，半定量RT-PCR表明该基因的表达模式与芯片结果一致，只在种子和果夹中有信号，在别的组织中均不表达。
（5）利用GUS报告基因、通过GUS组织化学染色和GUS活性测定证明AT2S3启动子能驱动下游基因在种子相关器官（包括果夹、成熟种子和幼苗）中特异、高效表达；启动子的序列缺失分析表明，在G-box存在时，正是RY元件决定了AT2S3启动子的种子特异性。
（6）为了特异增强种子的抗氧化胁迫能力，我们利用AT2S3启动子分别驱动锰-超氧化物歧化酶基因MSD1，过氧化氢酶基因CAT1和维生素E生物合成中的关键酶尿黑酸植基转移酶基因HPT1在拟南芥种子中过量表达。选取表达量最高的株系进行杂交，得到双价和三价转基因株系。酶活性测定表明Mn-SOD活性、CAT活性以及γ-生育酚含量在其相应的转基因种子中都显著提高。
（7）在种子萌发和幼苗生长早期，At2S3：：MSD、M7/C9和M7/C9/H3对甲基紫精（MV）或过氧化氢（H2O2）导致的氧化胁迫均表现出比野生型显著提高的耐性，At2S3：：CAT对H2O2胁迫也表现出较高的抗性；酶活性测定结果表明Mn-SOD和CAT活性的同时增加对转基因拟南芥在发育早期抗氧化能力的提高是至关重要的；超表达抗氧化基因并没有改变种子的产量和质量。因此，AT2S3启动子可以用于植物基因工程来介导外源基因在种子中高效表达，为将来在作物上进行种质改良提供理论基础。