分子細胞生物學：分子和細胞的關係
細胞是所有生物的結構和功能的基本單位，而細胞的各種生命現象之奧秘必須深入到分子層次中去尋求解答。模式生物細胞之基因體的結構及其表達調控是當今未來細胞研究的中心問題；做為真核細胞的主要遺傳信息儲存器的染色體，其基因結構和運作功能的研究因而具有特別重要的意義。以分子語言探討基因在染色体上如何組織、管理、調控仍然是現代生物學中最誘人的奧秘。
分子細胞生物學研究的一個重要方向是基因如何控制細胞的各種功能活動 (生長、分裂、分化等)，及細胞外信號(神經遞質、激素、生長因子和形態發生素、環境因子等)如何通過跨膜機制傳遞到核內，引起基因選擇性表達，從而調節細胞生長和其他功能活動。未來研究的重點包括信號跨膜傳遞機制，細胞如何能對信號起專一的反應，以及處於一定分化或功能狀態的細胞的特定的基因反應程序問題。此外，分子控制原理、基因型如何指導表現型、癌細胞形成之分子原理等皆有待探討。
另一重要方向是研究基因產物如何建造成細胞結構。細胞骨架(包括微管、中等纖維和微絲)對細胞運動、形態建成、維持、物質的運輸及其在細胞內的局限分布等均有重要作用。核骨架在基因轉錄產物的加工、傳送以及染色體的包裝等方面也有重要作用。細胞骨架和核基質的結構和功能的研究也將是進展迅速的領域。一個統合結構功能的分子細胞觀點將有助於建構真實細胞模型。
功能性基因體與基因體生物資訊學研究: 基因體結構和遺傳語言
人類基因體的輿圖和定序是生物學中迄今為止最龐大的計劃，實現該計劃後，除將帶來方法學(DNA序列快速自動定序法的改進、大量DNA序列數據的處理和分發等)上的進步外，對生物學基礎研究和醫學均將產生根本性影響。在讀出人基因體DNA(3×109鹼基對)的全序列後，更為艱鉅的任務將是解譯人類基因體基因的功能的---- "遺傳語言"的破解轉譯。在動物模式方面，果蠅、老鼠皆以近乎完成，植物模式方面，阿拉伯芥基因體定序己臻完成，水稻基因體定序計畫亦將在國際合作計畫下剋期完成。
後基因體時代，如何進行基因解碼後的基因功能研究是全球生物學研究的一個嶄新領域，如何對基因功能在染色體、細胞、組織、生物體的層次做進一步的解析更是現代生物學的主軸之一。基因體序列訊息的解譯，包含基因訊息在分子生物學、細胞學、遺傳學等所傳遞的資訊外，序列所隱藏的在個體演化、族群演化、種的演化與不同生物階層所代表的意義，需要生物資訊學的工具加以研究。透過對人和其他生物模式基因體結構和 DNA序列的精細比較，將能發現許多新的調節基因和演化保守的重要功能區域；再運用基因轉殖技術的發揮，即可以進一步檢測各個基因序列的功能。
分子生物學
分子生物學的建立，架構了以分子的微觀層次對生物巨分子結構、功能、基因體結構及其表達調控的研究取得突破性進展，並帶動對細胞的各種生命現象的研究，解說基因在細胞中生物功能運作的物理和化學原理。
分子生物學與發育生物學
生物體是由細胞構成的多層次複雜系統。發育生物學從系統的觀點出發，研究組織細胞群中細胞間的相互關係(包括細胞間識別、選擇性親和、通訊、相互作用等)，以及整生物個體和組織細胞群的生長分化等活動的調節控制。胚胎發育中的許多問題(如發生、胚層分化、形態發生、組織發生和器官形成、再生以及神經通路的建立等)都可以從細胞群的特性、行為和相互作用等方面進行研究。這是一個從細胞生物學過渡到發育生物學的重要邊緣領域，在未來將會有很大的發展。從一個授精卵發育成一個結構和功能無比複雜的成體動、植物個體是生物學中亟待解決的重大問題之一。
發育生物學的研究探討生物發育的機制與架構，此課題為現代生物學發展的先鋒。發育生物學的研究，以分子生物學、細胞生物學、遺傳學等方法，利用模式生物的系統上加速與加深發育生物學的課題研究上的深度與廣度。
分子生物學與遺傳學
遺傳學在孟德爾定律以DNA雙螺旋鏈解說染色體的形成與運作規則後，利用分子生物學的研究方法與工具，使傳統遺傳學的問題有了重大進展。現代分子遺傳學對遺傳信息傳遞由DNA到RNA到蛋白質的中心法則的發現，揭示了遺傳、發育和演化的內在聯繫。真核基因體的結構及其表達調控機制得到機械性細節的闡明。
多細胞高等生物體中分化細胞的細胞核內仍含有全套遺傳訊息，各組織之細胞分化只是部分基因選擇表達的結果。故，遺傳控制發育的過程可以分子生物學的慨念歸結為：基因如何按照一定的時間與空間次序選擇地表達，從而控制特定蛋白質的生成與分佈，達成細胞的分化與個體發育。對發育來說，最重要的不是個別基因的表達過程而是這些過程彼此之間在時空上精密的聯繫與配合，此亦即是發育的遺傳程序。此種遺傳程序是演化過程中，編碼在基因體DNA序列上並在配子(卵子與精子)發生過程中儲存於配子的結構中。將來的探討問題將是演化形成中遺傳程序是以何種方式編碼在基因體中，這種編碼在DNA的一次元序列如何控制生物體的三次元形態發育。
分子生物學與人類疾病
生理學以系統控制的原理提供人類疾病的診斷治療基礎，而分子細胞學則提供了更為準確的診斷及較具想像力之治療策略。此可由近年來在高血壓、血管硬化、糖尿病、肥胖症、心血管疾病、癌症及諸多遺傳疾病之進展突破見證。細胞做為功能之基礎單位，其分子作用機制之瞭解因此也將成為現代醫學的基礎。
植物功能基因體學
阿拉伯芥和水稻基因體定序計畫建立了高等植物結構基因體學（structural gene）更全面帶動了功能基因體學的研究熱潮。當代之植物學者利用植物細胞之分化全能性（totipotency）的表現，和成熟植物基因轉殖技術，以加強或抑制特定基因表現和分子遺傳的方法，探討重要基因的功能，及其和相關基因表現之交互作用關係，從而了解各個基因在植物個體生長發育及反應外界環境因子刺激之表現過程中所扮演的功能角色。於瞭解基因特殊序列之功能後，更可應用到植物個體對環境適應之基因改善工程，以及利用植物細胞生產對於人類有益的各類醫藥、農業、環保和工業上所需要之物質，讓植物科學知識的理論與實用做充分之結合，發揮對人類的無窮貢獻。