我园科研组织体系以应用植物学为主线，聚焦植物学科、生态学科、农业学科三大学科领域，分为3个研究中心/重点实验室（科研与管理一体），每个研究中心/重点实验室负责一个学科及其应用。
分别依托植物科学研究中心/中国科学院植物资源保护与可持续利用重点实验室发展植物学科、生态与环境科学研究中心/中国科学院退化生态系统植被恢复与管理重点实验室发展生态学科、农业与生物技术研究中心/中国科学院华南农业植物分子分析与遗传改良重点实验室发展农业学科，依托广东省应用植物学重点实验室强化各个学科之间的交叉与融合、强化研究成果的转化与应用、强化学科发展与应用研究并重并行，实现“三纵一横”的研究架构。广东省数字植物园重点实验室由园艺中心管理，新发展园林园艺学科及应用。
未来我园将争取在重要类群的世界性专著研究、区域生物多样性形成与维持机制、森林生态系统对全球变化的响应和适应、特殊生境生态修复与区域环境治理、特色农产品保鲜技术提升及产业化应用、华南特色高值植物产业化应用、植物重要经济性状关键基因克隆与新品种创制等领域形成核心竞争力，整体水平达国际并行、国内领跑，为我国植物园发展及植物多样性保护、植物资源高效利用、生态环境建设提供科技支撑。
各研究中心/重点实验室负责人及重点发展方向如下：
一、植物科学研究中心（中国科学院植物资源保护与可持续利用重点实验室）
主任：康明
副主任：陈红锋、罗世孝、王宝生
重点发展方向：植物分类与系统学、进化与保护生物学、植物资源发掘与利用
二、生态与环境科学研究中心（中国科学院退化生态系统植被恢复与管理重点实验室）
主任：刘占锋
副主任：刘菊秀、鲁显楷、王法明
重点发展方向：恢复生态学、生态系统与全球变化生态学、区域可持续发展
三、农业与生物技术研究中心（中国科学院华南农业植物分子分析与遗传改良重点实验室）
主任：侯兴亮
副主任：段学武、杨宝、杨子银
重点发展方向：农业植物分子遗传、采后生理与代谢、新品种创制与应用
四、中国科学院海岛及海岸带生态修复工程实验室
主任：任海
副主任：简曙光
重点发展方向：海岛与海岸带种质资源的收集及开发利用、植被及生态系统生态恢复及可持续利用的理论与技术。
五、广东省应用植物学重点实验室
主任：蒋跃明
副主任：杨子银、陈峰
重点发展方向：植物资源保育和种质创新、植物功效物质的发掘与利用、环境治理与景观优化技术
六、广东省数字植物园和科学传播重点实验室
主任：王瑛
副主任：宁祖林、张征、文香英
重点发展方向：植物迁地保护、自然教育与数字植物园、园艺植物与园林景观
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