方向一：作物目标性状遗传改良与新品种选育
围绕京津冀大田作物品种存在的产量潜力不足、产品品质不高、抗病虫靶标性不强、水肥利用效率不高等问题，面向生产对作物新品种的重大需求，以高产、节水、抗病、抗虫、优质、低耗作物新种质为材料，结合现代生物技术，开展小麦、玉米、棉花、大豆、花生等主要农作物目标性状改良和新品种精准培育。
方向二：作物种质资源鉴评与创新
围绕京津冀主要大田作物存在资源消耗高、抗旱性不强、品质亟待改善等生产问题，针对作物优异基因资源不足、优异基因聚合难且选择效率低等科学问题，采用常规技术与现代生物技术相结合，深入开展节水、优质、高效种质的鉴评筛选、基因发掘和创新利用研究。
方向三：作物高产优质抗逆生态生理
围绕京津冀大田作物生产中水资源消耗高、养分施用过剩、农产品质量亟待改善，以及中草药、草坪草等特色作物保优抗逆关键技术和综合调控技术体系滞后等生产问题，以作物高产优质的生态生理特征和规律为主要研究内容，在生态适应性、营养生理、光合生理、激素生理、发育生理和水分生理等方面开展研究，旨在为作物高产群体生育进程和生态环境的调控提供理论依据。
方向四：作物生长调控与生产工程
围绕京津冀作物光温水肥等资源利用效率较低、产量层级差较大、作物生产制度优化不及时等科学问题，以作物生态生理研究成果为基础，运用系统工程原理和信息处理技术，将作物高产、优质、高效为目标的栽培措施研究与作物信息技术及优化决策系统工程有机结合，实现作物生产系统诊断、调控理论和技术的突破与创新。