2025年大學(xué)《生物統(tǒng)計(jì)學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——統(tǒng)計(jì)學(xué)在微生物群落研究中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)）1.在微生物群落研究中，若要比較兩個(gè)不同處理（如對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組）下的群落組成差異，以下哪種距離/相似性度量通常不適用，因?yàn)樗鼈儗?duì)稀疏性敏感？（）A.Jaccard指數(shù)B.S?rensen指數(shù)C.Bray-Curtis距離D.Euclidean距離2.某研究測(cè)量了不同生境（森林、草原、濕地）中細(xì)菌群落的Alpha多樣性（Shannon指數(shù)）。若要繪制一個(gè)圖表直觀展示三個(gè)生境的多樣性水平比較，最適合的圖表類(lèi)型是？（）A.散點(diǎn)圖B.箱線圖C.熱圖D.柱狀圖3.在進(jìn)行基于距離的群落聚類(lèi)分析（如UPGMA）時(shí)，如果兩個(gè)群落之間的距離較遠(yuǎn)，這意味著？（）A.這兩個(gè)群落之間的物種組成差異非常小。B.這兩個(gè)群落之間的物種組成差異較大。C.這兩個(gè)群落共享了大部分相同的物種。D.無(wú)法判斷兩個(gè)群落之間的關(guān)系。4.當(dāng)使用主成分分析（PCA）或主成分排序（PCoA）對(duì)微生物群落數(shù)據(jù)進(jìn)行降維和可視化時(shí)，PC1和PC2的方差貢獻(xiàn)率之和表示？（）A.原始數(shù)據(jù)中所有樣本點(diǎn)的變異比例。B.原始數(shù)據(jù)中所有物種的變異比例。C.降維后保留的主要信息比例。D.新構(gòu)建的第一個(gè)和第二個(gè)主成分的樣本點(diǎn)變異比例。5.如果研究者想要檢驗(yàn)不同飲食干預(yù)組（A、B、C組）的腸道菌群在整體組成上是否存在顯著差異，最適合使用的非參數(shù)檢驗(yàn)方法是？（）A.t檢驗(yàn)B.ANOVAC.Kruskal-WallisH檢驗(yàn)D.Mann-WhitneyU檢驗(yàn)6.在進(jìn)行多元方差分析（MANOVA）時(shí)，其核心目的是？（）A.檢驗(yàn)多個(gè)響應(yīng)變量之間的相關(guān)性。B.檢驗(yàn)一個(gè)響應(yīng)變量與一個(gè)或多個(gè)分類(lèi)變量之間的關(guān)聯(lián)。C.同時(shí)檢驗(yàn)多個(gè)響應(yīng)變量是否因一個(gè)或多個(gè)分類(lèi)變量的不同水平而存在差異。D.對(duì)多個(gè)分類(lèi)變量進(jìn)行聚類(lèi)。7.對(duì)于稀疏矩陣（大部分元素為零的矩陣）表示的微生物群落數(shù)據(jù)，在進(jìn)行距離計(jì)算時(shí)，常用的方法之一是？（）A.曼哈頓距離B.歐幾里得距離C.Jaccard距離D.皮爾遜相關(guān)系數(shù)8.在解釋NMDS（非度量多維尺度分析）結(jié)果時(shí)，樣本點(diǎn)在低維空間（如PC1vsPC2）中聚集在一起意味著？（）A.這些樣本點(diǎn)的環(huán)境因子得分高度相似。B.這些樣本點(diǎn)的群落組成差異非常大。C.這些樣本點(diǎn)的環(huán)境因子得分差異非常大。D.無(wú)法確定樣本點(diǎn)之間的群落關(guān)系。9.當(dāng)使用R語(yǔ)言中的vegan包進(jìn)行ANOSIM分析時(shí)，需要預(yù)先計(jì)算輸入什么類(lèi)型的矩陣？（）A.物種豐度矩陣B.環(huán)境變量矩陣C.基于物種豐度矩陣計(jì)算的距離矩陣D.物種-環(huán)境相關(guān)性矩陣10.設(shè)想一個(gè)研究比較不同抗生素處理對(duì)土壤真菌群落多樣性的影響。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上，為了排除土壤背景差異的影響，應(yīng)該采用？（）A.單因素設(shè)計(jì)，僅設(shè)置處理組B.隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，將不同土壤置于不同處理?xiàng)l件下C.交叉設(shè)計(jì)，讓同一土壤樣本接受所有處理D.成對(duì)設(shè)計(jì)，僅比較兩個(gè)處理組二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.Shannon多樣性指數(shù)同時(shí)考慮了物種的________和________兩個(gè)方面，計(jì)算結(jié)果越大，通常表示群落多樣性越高。2.在進(jìn)行多變量統(tǒng)計(jì)分析（如NMDS、MANOVA）之前，對(duì)微生物群落數(shù)據(jù)進(jìn)行________是非常必要的步驟，以消除不同樣本間個(gè)體數(shù)量的差異。3.________分析是將樣本或物種根據(jù)其特征進(jìn)行分組，以揭示樣本間或物種間相似性的統(tǒng)計(jì)方法。4.當(dāng)研究目的是比較不同群落組別中心趨勢(shì)的差異時(shí)，如果數(shù)據(jù)不滿(mǎn)足參數(shù)檢驗(yàn)條件，可以考慮使用________檢驗(yàn)。5.微生物群落數(shù)據(jù)通常具有________（請(qǐng)?zhí)顚?xiě)“稀疏”或“密集”）的特點(diǎn)，即大部分物種在大多數(shù)樣品中豐度極低。6.在計(jì)算Bray-Curtis距離時(shí)，常用的公式是1-(Σ|A-B|)/(Σ|A|+Σ|B|)，其中A和B分別代表兩個(gè)群落中所有物種的________。7.用于衡量群落中物種豐度分布均勻程度的指標(biāo)是________優(yōu)勢(shì)度指數(shù)。8.主成分分析（PCA）是一種降維技術(shù)，它通過(guò)線性組合原始變量來(lái)生成新的________，這些新變量能夠保留原始數(shù)據(jù)中的大部分變異信息。9.在微生物群落研究中，判斷一個(gè)統(tǒng)計(jì)方法是否適用的關(guān)鍵在于其是否滿(mǎn)足該方法的________。10.設(shè)立________是微生物群落研究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的重要原則，有助于控制無(wú)關(guān)變量的影響。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共15分）1.簡(jiǎn)述在微生物群落研究中，使用Jaccard指數(shù)和Bray-Curtis距離計(jì)算樣本之間相似性的主要區(qū)別。2.解釋什么是稀疏矩陣，并列舉至少兩種適用于稀疏微生物群落數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析方法。3.在進(jìn)行微生物群落實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，為什么需要考慮重復(fù)性？重復(fù)性應(yīng)該如何體現(xiàn)？四、計(jì)算題（共25分）1.（10分）假設(shè)有兩個(gè)土壤樣品A和B，包含四種細(xì)菌物種，其豐度如下表所示（此處省略表格，請(qǐng)想象一個(gè)4x2的豐度表）。請(qǐng)計(jì)算樣品A和B之間的Bray-Curtis距離。2.（10分）某研究測(cè)量了三個(gè)不同采集點(diǎn)（P1,P2,P3）的土壤細(xì)菌群落Shannon多樣性指數(shù)，分別為H1=3.2,H2=2.8,H3=3.5。請(qǐng)計(jì)算這三個(gè)點(diǎn)的平均Shannon多樣性指數(shù)。3.（5分）解釋什么是統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)中的p值？在微生物群落研究中，通常如何解釋p值的大?。ɡ?，p<0.05）？五、論述題（15分）結(jié)合你對(duì)該領(lǐng)域的理解，論述在微生物群落研究中，選擇合適的距離/相似性度量、多樣性指數(shù)以及后續(xù)的多元統(tǒng)計(jì)分析方法（如NMDS、聚類(lèi)、MANOVA等）時(shí)，需要考慮哪些因素？并舉例說(shuō)明不同選擇可能帶來(lái)的結(jié)果差異。試卷答案一、選擇題1.A2.D3.B4.A5.C6.C7.C8.A9.C10.B二、填空題1.豐度；豐富度2.歸一化3.聚類(lèi)4.Kruskal-WallisH5.稀疏6.豐度7.馬氏（Simpson）8.主成分9.假設(shè)10.對(duì)照三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：Jaccard指數(shù)基于物種存在/缺席二元信息（打分方式為1代表存在，0代表缺席），對(duì)物種豐度不敏感，適用于物種組成差異分析，尤其是在物種豐度極低的情況下。Bray-Curtis距離基于物種相對(duì)豐度，考慮了物種數(shù)量多少，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)群落中所有物種豐度差的絕對(duì)值之和（或平均數(shù)）的比例來(lái)計(jì)算距離，對(duì)豐度敏感。因此，兩者在計(jì)算基礎(chǔ)和敏感度上存在本質(zhì)區(qū)別。2.解析思路：稀疏矩陣指矩陣中大部分元素為零的矩陣，這是微生物群落數(shù)據(jù)的典型特征。適用于稀疏數(shù)據(jù)的分析方法需要能處理零值，并考慮數(shù)據(jù)稀疏性帶來(lái)的統(tǒng)計(jì)偏倚。例如，Jaccard指數(shù)和Bray-Curtis距離是常用的能處理稀疏數(shù)據(jù)的距離度量方法。此外，如非度量多維尺度分析（NMDS）和特定的統(tǒng)計(jì)模型（如零inflatedmodels,Negativebinomialregression）也是常用于分析稀疏微生物群落數(shù)據(jù)的方法。3.解析思路：重復(fù)性是指在相同條件下重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的次數(shù)。在微生物群落研究中，設(shè)置重復(fù)性非常重要，原因在于微生物群落本身具有高度異質(zhì)性和變異性，受環(huán)境因素、采樣時(shí)間、隨機(jī)波動(dòng)等多種因素影響。重復(fù)實(shí)驗(yàn)可以增加樣本量，提高統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的效力（power），減少隨機(jī)誤差對(duì)結(jié)果解釋的影響，使研究結(jié)果更具可靠性和可重復(fù)性。重復(fù)性通常體現(xiàn)在設(shè)置多個(gè)生物學(xué)重復(fù)樣本（biologicalreplicates）和/或環(huán)境重復(fù)（environmentalreplicates）。四、計(jì)算題1.解析思路：計(jì)算Bray-Curtis距離的公式為1-(Σ|A-B|)/(Σ|A|+Σ|B|)，其中A和B是兩個(gè)樣本的物種豐度向量，|A-B|是向量A和B各對(duì)應(yīng)物種豐度差的絕對(duì)值。需要根據(jù)題目提供的（假設(shè)的）豐度表，先計(jì)算每個(gè)物種在A、B兩個(gè)樣品豐度差的絕對(duì)值，然后求和得到分子（Σ|A-B|），再分別求出A、B兩個(gè)樣品所有物種豐度的總和（Σ|A|,Σ|B|），最后將分子除以分母，得到最終距離值。注意處理零值時(shí)的絕對(duì)值計(jì)算。（假設(shè)計(jì)算結(jié)果為d_Bray_Curtis=0.35，請(qǐng)根據(jù)實(shí)際題目數(shù)據(jù)計(jì)算）2.解析思路：計(jì)算多個(gè)樣本的平均Shannon多樣性指數(shù)，直接將所有樣本的指數(shù)值相加，然后除以樣本數(shù)量即可。公式為：平均H=(H1+H2+...+Hn)/n。根據(jù)題目數(shù)據(jù)，平均Shannon指數(shù)=(3.2+2.8+3.5)/3=3.05。3.解析思路：p值是在原假設(shè)（nullhypothesis）為真時(shí)，觀察到當(dāng)前或更極端結(jié)果的概率。在微生物群落研究中，p<0.05通常表示在隨機(jī)誤差的背景下，觀察到當(dāng)前群落間差異（如多樣性、組成）的可能性小于5%。據(jù)此，研究者傾向于拒絕原假設(shè)，認(rèn)為所觀察到的差異在統(tǒng)計(jì)上顯著，不太可能是偶然發(fā)生的。需要注意的是，p值小并不絕對(duì)證明效應(yīng)大或結(jié)果重要，也不能證明原假設(shè)絕對(duì)錯(cuò)誤，它只反映了結(jié)果的統(tǒng)計(jì)顯著性概率。五、論述題解析思路：選擇合適的統(tǒng)計(jì)方法需綜合考慮以下因素：1.數(shù)據(jù)類(lèi)型與特點(diǎn)：首先要明確數(shù)據(jù)是稀疏還是密集，樣本量大小，變量類(lèi)型（計(jì)數(shù)、比例等），以及數(shù)據(jù)是否滿(mǎn)足參數(shù)檢驗(yàn)的假設(shè)（如正態(tài)性、方差齊性）。微生物群落數(shù)據(jù)常為稀疏、高維、非正態(tài)計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)。2.研究目的：明確研究意圖是描述群落結(jié)構(gòu)（多樣性、組成），比較不同組別間差異，還是探索變量與群落的關(guān)系。不同的目的對(duì)應(yīng)不同的分析方法。3.分析層級(jí)：是在物種層面分析，還是樣本層面分析，或是在功能基因?qū)用娣治?。這決定了距離度量、多樣性指數(shù)的選擇。4.方法的適用性：考察所選方法是否適用于處理特定類(lèi)型的數(shù)據(jù)（如能處理零值），以及其理論基礎(chǔ)是否與研究問(wèn)題匹配。例如，非參數(shù)方法適用于數(shù)據(jù)不滿(mǎn)足參數(shù)假設(shè)的情況。5.計(jì)算復(fù)雜度與軟件限制：實(shí)際操作中需考慮計(jì)算資源的限制和研究者對(duì)統(tǒng)計(jì)軟件的熟悉程度。舉例說(shuō)明：*距離/相似性度量選擇：比較兩個(gè)以0/1表示的物種存在/缺席矩陣，Jaccard距離可能更合適；如果關(guān)注物種相對(duì)豐度差異，Bray-Curtis可能更優(yōu)。對(duì)于稀疏數(shù)據(jù)，Jaccard通常比Euclidean更穩(wěn)健。*多樣性指數(shù)選擇：比較樣本豐富度時(shí)，使用豐富度指數(shù)（如Observed-species）；比較物種分布均勻程度時(shí)，使用Simpson優(yōu)勢(shì)度。*多元分析方法選擇：若要比較三組以上的群落中心位置差異且數(shù)據(jù)非正態(tài)，MANOVA（若響應(yīng)變量多于1個(gè)）或ANOSIM（基于距離矩陣的非參數(shù)方法）可能比ANOVA更適用。若要探索環(huán)境因子與群落