2025年大學(xué)《生物信息學(xué)》專業(yè)題庫——生物信息學(xué)在草地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)中的應(yīng)用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述生物信息學(xué)在草地生態(tài)系統(tǒng)研究中相對于傳統(tǒng)方法的主要優(yōu)勢和局限性。二、描述環(huán)境DNA（eDNA）技術(shù)的原理及其在草地生態(tài)系統(tǒng)物種監(jiān)測中的應(yīng)用潛力。請說明該技術(shù)相比傳統(tǒng)采樣方法的優(yōu)勢。三、在草地生態(tài)系統(tǒng)遺傳多樣性研究中，選擇合適的分子標(biāo)記（如SSR、SNP）進(jìn)行分析時，需要考慮哪些因素？請比較這兩種標(biāo)記在研究草地物種遺傳多樣性時的優(yōu)缺點(diǎn)。四、宏基因組學(xué)分析方法在揭示草地生態(tài)系統(tǒng)功能（如碳循環(huán)、氮循環(huán)）方面具有重要價值。請簡述從草地土壤樣品中獲取宏基因組數(shù)據(jù)，并分析其功能基因（如參與碳固定相關(guān)的基因）的基本流程。五、假設(shè)你獲得了一組草地植物未知物種的DNA序列數(shù)據(jù)。請列舉并簡要說明你可以采用哪些生物信息學(xué)方法來鑒定這些物種，并說明選擇這些方法時的考慮因素。六、簡述利用高通量測序技術(shù)分析草地植物群落α多樣性和β多樣性的基本思路和方法。說明計算群落相似性指數(shù)時可能用到的一些指標(biāo)。七、草地的退化往往伴隨著物種組成和功能的變化。請描述如何利用生物信息學(xué)方法（如物種分類、功能基因分析）來評估草地退化的程度及其恢復(fù)效果。八、在利用生物信息學(xué)手段進(jìn)行草地生態(tài)系統(tǒng)研究時，數(shù)據(jù)隱私和生物多樣性保護(hù)相關(guān)的倫理問題可能涉及哪些方面？請至少提出兩點(diǎn)并簡述應(yīng)對策略。試卷答案一、答案：優(yōu)勢：非侵入性、樣品易得（無需捕捉活體）、可監(jiān)測隱匿或瀕危物種、覆蓋范圍廣、可重復(fù)性高、成本效益潛力。局限性：技術(shù)要求高、環(huán)境干擾因素多（如DNA降解、抑制劑）、難區(qū)分親緣關(guān)系近的物種、陽性檢出率受環(huán)境DNA濃度和降解影響、結(jié)果解釋需謹(jǐn)慎。解析思路：考察對生物信息學(xué)技術(shù)在生態(tài)學(xué)應(yīng)用中優(yōu)缺點(diǎn)的理解。優(yōu)勢方面需圍繞非侵入性、樣品獲取便捷性、對隱匿/瀕危物種的監(jiān)測能力、宏觀尺度應(yīng)用潛力等展開。局限性方面需考慮技術(shù)門檻、環(huán)境因素的影響（DNA降解、抑制劑等）、物種區(qū)分的難度、靈敏度問題以及結(jié)果解讀的復(fù)雜性。二、答案：原理：從環(huán)境樣品（如水、土壤）中直接提取、擴(kuò)增并測序目標(biāo)生物的DNA片段（通常是線粒體DNA或核基因組中的保守片段），通過序列比對鑒定物種。應(yīng)用潛力：可用于監(jiān)測難以捕捉的物種、水下或偏遠(yuǎn)地區(qū)物種、評估物種分布和豐度、監(jiān)測入侵物種、研究物種生態(tài)位。優(yōu)勢：避免了對活體的干擾和傷害、樣品采集相對容易、可同時監(jiān)測多種物種、對環(huán)境擾動敏感。解析思路：考察對eDNA技術(shù)基本原理和應(yīng)用的理解。原理部分要說明是從環(huán)境中提取和擴(kuò)增DNA。應(yīng)用潛力部分要列舉其在草地監(jiān)測中的具體場景。優(yōu)勢部分需與傳統(tǒng)采樣（捕捉、采樣）進(jìn)行對比，突出eDNA的非侵入性、樣品易得性、多物種同時監(jiān)測和環(huán)境敏感性等特點(diǎn)。三、答案：選擇因素：研究目標(biāo)（物種鑒定、遺傳結(jié)構(gòu)、進(jìn)化關(guān)系）、樣本類型（植物、動物、微生物）、基因組復(fù)雜性、變異程度、研究成本、標(biāo)記豐度和多態(tài)性、擴(kuò)增效率和穩(wěn)定性、是否需要長片段信息等。SSR優(yōu)點(diǎn)：多態(tài)性高、重復(fù)性好、技術(shù)成熟、可檢測雜合度、適合群體遺傳結(jié)構(gòu)分析。SSR缺點(diǎn)：基因組中數(shù)量有限、可能存在偏分布、引物開發(fā)成本高、易受重復(fù)序列干擾。SNP優(yōu)點(diǎn)：數(shù)量龐大、分布廣泛、與基因組背景緊密連鎖、可提供豐富的單倍型信息、適合精細(xì)圖譜構(gòu)建和關(guān)聯(lián)分析。SNP缺點(diǎn)：檢測技術(shù)要求較高、部分SNP位點(diǎn)效應(yīng)弱、引物設(shè)計相對復(fù)雜、需要更大樣本量或全基因組數(shù)據(jù)。解析思路：考察分子標(biāo)記選擇依據(jù)及SSR與SNP的比較。選擇因素需涵蓋研究目標(biāo)、樣本、基因組特性、變異資源、成本、技術(shù)要求等多個維度。比較優(yōu)缺點(diǎn)時，要清晰列出各自在多態(tài)性、技術(shù)成熟度、信息含量、成本、適用性等方面的相對優(yōu)勢與不足，并結(jié)合草地生態(tài)學(xué)研究場景進(jìn)行說明。四、答案：基本流程：1.樣品采集與處理：采集草地土壤樣品，進(jìn)行DNA提取和純化。2.宏基因組文庫構(gòu)建：將提取的土壤DNA片段化，構(gòu)建高通量測序文庫。3.高通量測序：使用Illumina或其他測序平臺對文庫進(jìn)行測序，獲得大量環(huán)境DNA序列讀長。4.序列質(zhì)控與過濾：對原始測序數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評估和過濾，去除低質(zhì)量讀長、引物序列、宿主（植物）序列等。5.比對與注釋：將過濾后的非宿主讀長與公共數(shù)據(jù)庫（如NCBINR,KEGG,Pfam）進(jìn)行比對，注釋其功能。6.功能分析：統(tǒng)計不同功能基因（如碳固定相關(guān)基因如RuBisCO）的數(shù)量和豐度，分析群落功能特征。解析思路：考察宏基因組學(xué)分析草地土壤功能基因的基本流程。流程需按時間順序或邏輯順序，清晰描述從樣品處理到最終功能分析的各個關(guān)鍵步驟，包括文庫構(gòu)建、測序、數(shù)據(jù)處理（質(zhì)控過濾）、序列注釋和功能統(tǒng)計分析。五、答案：方法：1.物種特異性引物PCR：設(shè)計針對目標(biāo)物種或近緣物種特異性的引物進(jìn)行擴(kuò)增和測序，適用于已知物種鑒定或重點(diǎn)物種監(jiān)測。2.DNA條形碼技術(shù)：利用標(biāo)準(zhǔn)化的短片段DNA序列（如COI、ITS）進(jìn)行物種鑒定，可通過數(shù)據(jù)庫比對實現(xiàn)。3.高通量測序（如metabarcoding）：對混合樣品中的多個物種DNA進(jìn)行擴(kuò)增和測序，適用于群落物種鑒定和豐度分析。4.系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建：將測序獲得的序列進(jìn)行多序列比對，構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，根據(jù)聚類關(guān)系進(jìn)行物種鑒定。選擇考慮因素：物種已知性、研究目標(biāo)（鑒定、豐度、多樣性）、樣品類型和數(shù)量、成本、所需設(shè)備和技術(shù)能力。解析思路：考察草地植物物種鑒定的生物信息學(xué)方法及其選擇依據(jù)。需列舉至少三種常用方法，并簡要說明其原理。選擇考慮因素要從物種信息、研究目的、樣品特性、成本效益和技術(shù)可行性等多個角度進(jìn)行分析。六、答案：基本思路：利用高通量測序技術(shù)獲取草地樣品中所有或特定類群（如植物）的DNA條形碼序列，通過生物信息學(xué)方法進(jìn)行序列拼接、質(zhì)量控制和物種鑒定，進(jìn)而計算群落結(jié)構(gòu)和多樣性指標(biāo)。分析方法：1.物種鑒定：將測序讀長與參考數(shù)據(jù)庫（如BarcodingGap,NCBI）進(jìn)行比對，確定每個讀長對應(yīng)的物種。2.α多樣性分析：計算樣品內(nèi)部的物種豐富度（如物種數(shù)量）和多樣性指數(shù)（如Shannon,Simpson指數(shù)），反映群落內(nèi)部物種構(gòu)成復(fù)雜程度。3.β多樣性分析：計算不同樣品之間的物種組成差異，常用方法包括：*物種組成差異（如Jaccard,Bray-Curtis距離）。*系統(tǒng)發(fā)育距離（如基于UPGMA或Neighbor-Joining構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹計算距離）。*多樣性排序（如NMDS分析）。解析思路：考察高通量測序在群落多樣性分析中的應(yīng)用。思路部分要說明從測序到物種鑒定再到多樣性計算的過程。分析方法部分要區(qū)分α多樣性和β多樣性的概念，并列舉計算α多樣性的常用指數(shù)和計算β多樣性的常用指標(biāo)和方法（距離計算、排序等）。七、答案：評估退化程度：通過分析草地植物群落α多樣性（物種豐富度下降）、β多樣性（物種組成改變，優(yōu)勢種入侵）、功能多樣性（功能群變化或丟失）、遺傳多樣性（種內(nèi)遺傳多樣性下降）等指標(biāo)的變化。評估恢復(fù)效果：通過監(jiān)測恢復(fù)過程中上述指標(biāo)的變化趨勢（α多樣性增加、β多樣性趨近自然狀態(tài)、功能群恢復(fù)、遺傳多樣性提升），結(jié)合植被形態(tài)、蓋度等表型指標(biāo)，綜合評估恢復(fù)成效。生物信息學(xué)方法應(yīng)用：高通量測序（分析群落結(jié)構(gòu)和功能基因）、環(huán)境DNA（監(jiān)測關(guān)鍵物種）、基因組學(xué)（評估遺傳多樣性）、遙感數(shù)據(jù)分析（結(jié)合植被信息）。解析思路：考察利用生物信息學(xué)評估草地退化與恢復(fù)效果的方法。需明確評估退化程度和恢復(fù)效果的具體指標(biāo)（α/β/功能/遺傳多樣性）。說明如何通過這些指標(biāo)的變化來反映退化程度和恢復(fù)效果。列舉可以應(yīng)用的生物信息學(xué)技術(shù)及其側(cè)重點(diǎn)。八、答案：倫理問題：1.數(shù)據(jù)隱私與安全：環(huán)境DNA數(shù)據(jù)可能包含敏感物種信息，需采取措施保護(hù)數(shù)據(jù)不被濫用，防止泄露特定區(qū)域或瀕危物種的分布信息。建立數(shù)據(jù)訪問和使用規(guī)范。2.對非目標(biāo)物種的影響：環(huán)境DNA技術(shù)的應(yīng)用可能對某些敏感或隱私保護(hù)物種產(chǎn)生間接影響（如監(jiān)測過程中的干擾），需評估風(fēng)險并采取最小干擾原則。在監(jiān)測前進(jìn)行充分的環(huán)境影響評估。應(yīng)對策略：1.制定數(shù)據(jù)管理政策和倫理審查機(jī)制，明確數(shù)據(jù)所有權(quán)、使用權(quán)和保密要求。2.采用匿名化或去標(biāo)識化處理，限制數(shù)據(jù)的直接關(guān)聯(lián)性。3.加強(qiáng)對研究人員的倫理培訓(xùn)，提高其對數(shù)據(jù)隱私和生物多樣性保護(hù)重要性的認(rèn)識。