2025年大學(xué)《生物信息學(xué)》專業(yè)題庫——生物信息學(xué)在微生物學(xué)中的應(yīng)用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題3分，共15分）1.基因組注釋2.16SrRNA測序3.Alpha多樣性4.宏基因組學(xué)5.系統(tǒng)發(fā)育樹二、簡答題（每題5分，共25分）1.簡述利用生物信息學(xué)方法進(jìn)行物種系統(tǒng)發(fā)育分析的一般步驟。2.RNA-Seq數(shù)據(jù)分析流程中，通常需要進(jìn)行哪些關(guān)鍵的質(zhì)量控制步驟？3.與傳統(tǒng)的培養(yǎng)方法相比，高通量測序技術(shù)在微生物群落研究中有哪些主要優(yōu)勢？4.解釋什么是基因組比較分析，并列舉至少兩種通過比較基因組學(xué)可以獲得的信息。5.簡述生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫在微生物學(xué)研究中的主要作用。三、論述題（每題10分，共30分）1.論述生物信息學(xué)技術(shù)在解析微生物致病機(jī)制研究中的應(yīng)用。2.結(jié)合具體實(shí)例，說明比較基因組學(xué)在追蹤病原微生物進(jìn)化傳播方面的作用。3.設(shè)計(jì)一個簡要的分析流程，用于研究某個環(huán)境樣品（如土壤或水體）中的微生物群落結(jié)構(gòu)及其潛在功能。說明選擇的主要分析工具和方法，并簡述理由。四、計(jì)算與分析題（共30分）1.假定你獲得了一組來自同一物種但來自不同環(huán)境的基因組DNA樣本。你通過生物信息學(xué)方法測定了三個樣本的基因組大小分別為5.0Mb,4.8Mb和4.9Mb，并計(jì)算得到它們的G+C含量分別為51%,49%和50%。請基于這些信息，比較這三個樣本的基因組特征，并推測可能存在的差異及其生物學(xué)意義。（15分）2.某研究項(xiàng)目利用RNA-Seq技術(shù)比較了正常小鼠和感染特定病原菌小鼠的腸道菌群中某一功能基因的表達(dá)差異。生物信息學(xué)分析結(jié)果顯示，在感染組小鼠中，該基因的表達(dá)量平均上調(diào)了5倍。請分析這一結(jié)果的潛在生物學(xué)意義，并提出進(jìn)一步需要研究的方向。（15分）試卷答案一、名詞解釋1.基因組注釋：指對基因組DNA序列上各個功能元件（如基因、啟動子、調(diào)控元件、重復(fù)序列等）的位置進(jìn)行鑒定和說明的過程，目的是理解基因組的結(jié)構(gòu)和功能。**解析思路：*考察對基因組注釋基本概念的掌握。答案需包含基因組、注釋對象（功能元件）、鑒定和說明三個核心要素。2.16SrRNA測序：一種利用16S核糖體RNA基因高度保守區(qū)與可變區(qū)序列差異來鑒定和區(qū)分細(xì)菌和古菌物種的技術(shù)，常用于微生物群落結(jié)構(gòu)分析。**解析思路：*考察對16SrRNA測序原理和用途的理解。答案需點(diǎn)明核心序列（16SrRNA）、區(qū)分依據(jù)（保守區(qū)/可變區(qū)序列差異）、目標(biāo)生物（細(xì)菌/古菌）及主要應(yīng)用（物種鑒定/群落分析）。3.Alpha多樣性：指在一個特定區(qū)域內(nèi)或樣品內(nèi)，物種豐富度的度量，反映了該區(qū)域內(nèi)物種個體的多樣性程度。**解析思路：*考察對Alpha多樣性核心概念的掌握。答案需明確其衡量的是“物種豐富度”，并且是在“特定區(qū)域或樣品內(nèi)”。4.宏基因組學(xué)：指直接從環(huán)境樣品（如土壤、水體、生物體）中提取全部微生物的總基因組DNA，并對其進(jìn)行測序和分析，以研究環(huán)境中微生物的群落結(jié)構(gòu)、功能潛力及與環(huán)境互作。**解析思路：*考察對宏基因組學(xué)定義和特點(diǎn)的理解。答案需包含“總基因組DNA提取”、“環(huán)境樣品”、“全部微生物”以及研究目的（群落結(jié)構(gòu)/功能潛力/互作）。5.系統(tǒng)發(fā)育樹：一種樹狀圖，用于表示不同生物（如物種、基因、基因組）之間基于共同祖先的進(jìn)化關(guān)系，通常根據(jù)序列相似性構(gòu)建。**解析思路：*考察對系統(tǒng)發(fā)育樹概念和功能的掌握。答案需包含其圖形特征（樹狀圖）、表示內(nèi)容（進(jìn)化關(guān)系）以及構(gòu)建基礎(chǔ)（共同祖先/序列相似性）。二、簡答題1.簡述利用生物信息學(xué)方法進(jìn)行物種系統(tǒng)發(fā)育分析的一般步驟。*答案要點(diǎn)：①序列獲取（目標(biāo)基因，如16SrRNA或核糖體蛋白基因）；②序列質(zhì)量檢查與修剪；③多序列比對（使用ClustalW、MUSCLE等工具）；④模型選擇與系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建（使用MEGA、PhyML、RAxML等，選擇合適的進(jìn)化模型）；⑤樹形評估（自展分析、Bootstrap值）；⑥結(jié)果解釋（樹的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、分支長度、物種關(guān)系）。**解析思路：*考察系統(tǒng)發(fā)育分析的標(biāo)準(zhǔn)流程。答案應(yīng)按邏輯順序列出關(guān)鍵步驟，包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、比對、樹構(gòu)建、評估和解釋。2.RNA-Seq數(shù)據(jù)分析流程中，通常需要進(jìn)行哪些關(guān)鍵的質(zhì)量控制步驟？*答案要點(diǎn)：①原始數(shù)據(jù)（FastQ文件）質(zhì)量評估（使用FastQC等工具，關(guān)注讀長質(zhì)量分布、N堿基比例等）；②去除低質(zhì)量讀長和接頭序列（使用Trimmomatic、Cutadapt等工具）；③比對到參考基因組或轉(zhuǎn)錄組（使用HISAT2、STAR等）；④比對質(zhì)量評估（檢查映射率、多比對讀長比例等）；⑤基因表達(dá)量定量（使用featureCounts、RSEM等）；⑥差異表達(dá)分析（使用DESeq2、EdgeR等）前的數(shù)據(jù)過濾或標(biāo)準(zhǔn)化。**解析思路：*考察對RNA-Seq數(shù)據(jù)質(zhì)控環(huán)節(jié)的掌握。答案應(yīng)涵蓋從原始數(shù)據(jù)到表達(dá)量定量的主要質(zhì)控點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)工具和檢查內(nèi)容。3.與傳統(tǒng)的培養(yǎng)方法相比，高通量測序技術(shù)在微生物群落研究中有哪些主要優(yōu)勢？*答案要點(diǎn)：①能檢測到培養(yǎng)條件下無法生存的微生物（即培養(yǎng)陰性微生物）；②能評估群落中微生物的豐度（包括絕對豐度和相對豐度）；③能分析微生物群落的結(jié)構(gòu)和多樣性；④能研究微生物群落的功能潛力（通過功能基因預(yù)測）；⑤能提供更接近自然環(huán)境狀態(tài)的群落信息。**解析思路：*考察對高通量測序相對于傳統(tǒng)培養(yǎng)方法優(yōu)勢的理解。答案應(yīng)突出“培養(yǎng)陰性微生物”和“功能潛力”這兩個關(guān)鍵點(diǎn)。4.解釋什么是基因組比較分析，并列舉至少兩種通過比較基因組學(xué)可以獲得的信息。*答案要點(diǎn)：基因組比較分析是指將兩個或多個生物的基因組序列進(jìn)行系統(tǒng)性比較，以揭示它們在結(jié)構(gòu)、組成和功能上的異同?？梢垣@得的信息：①進(jìn)化關(guān)系（構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，推斷物種親緣關(guān)系）；②基因組變異（識別SNP、INDEL、重復(fù)序列、結(jié)構(gòu)變異等）；③基因增益和丟失（比較基因內(nèi)容，了解物種適應(yīng)性進(jìn)化）；④水平基因轉(zhuǎn)移（檢測基因家族的垂直和水平傳播歷史）；③病原性因素（識別毒力基因、毒力島等）。**解析思路：*考察對基因組比較分析定義和意義的掌握。答案需先定義，再列舉至少兩種具體獲得的信息類型。5.簡述生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫在微生物學(xué)研究中的主要作用。*答案要點(diǎn)：①提供海量微生物基因組、蛋白質(zhì)組、代謝組等數(shù)據(jù)資源供查詢和下載；②提供標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)格式和注釋信息，便于數(shù)據(jù)分析和共享；③提供各種生物信息學(xué)工具和計(jì)算資源（如序列比對、基因預(yù)測、系統(tǒng)發(fā)育分析等）；④支持微生物物種鑒定、功能注釋和進(jìn)化關(guān)系研究；⑤是發(fā)布研究成果和共享研究數(shù)據(jù)的重要平臺。**解析思路：*考察對生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫功能的理解。答案應(yīng)涵蓋數(shù)據(jù)存儲、信息提供、工具服務(wù)、研究支持和數(shù)據(jù)共享等多個方面。三、論述題1.論述生物信息學(xué)技術(shù)在解析微生物致病機(jī)制研究中的應(yīng)用。*答案要點(diǎn)：生物信息學(xué)在解析微生物致病機(jī)制中扮演著關(guān)鍵角色。首先，通過基因組測序和比較基因組學(xué)，可以鑒定病原菌特有基因（毒力基因、毒力島），揭示其致病潛力。其次，利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)（RNA-Seq）分析，可以研究病原菌在宿主內(nèi)的基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，了解其適應(yīng)宿主環(huán)境、逃避免疫系統(tǒng)的機(jī)制。再次，通過蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)分析，結(jié)合生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行功能注釋，可以闡明病原菌的毒力因子作用機(jī)制、宿主互作分子機(jī)制以及感染過程中的代謝重編程。此外，宏基因組學(xué)分析有助于研究病原菌群落與機(jī)會性病原菌在感染過程中的相互作用。最后，利用系統(tǒng)發(fā)育分析追蹤病原菌的進(jìn)化傳播歷史，也為理解其致病演變提供了線索?？傊?，生物信息學(xué)為多層面、系統(tǒng)性地解析微生物致病機(jī)制提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。**解析思路：*考察對生物信息學(xué)技術(shù)在特定領(lǐng)域（致病機(jī)制）應(yīng)用的綜合性理解和論述能力。答案應(yīng)分點(diǎn)闡述不同技術(shù)（基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、代謝組、宏基因組、系統(tǒng)發(fā)育）在解析致病機(jī)制方面的具體應(yīng)用和作用。2.結(jié)合具體實(shí)例，說明比較基因組學(xué)在追蹤病原微生物進(jìn)化傳播方面的作用。*答案要點(diǎn)：比較基因組學(xué)通過分析不同地理區(qū)域、不同時間點(diǎn)分離到的病原菌基因組序列差異，對于追蹤其進(jìn)化傳播歷史至關(guān)重要。例如，在COVID-19大流行中，研究人員對不同時間、不同地點(diǎn)分離的新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）基因組進(jìn)行了大規(guī)模測序和比較基因組分析。通過系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建，發(fā)現(xiàn)病毒呈現(xiàn)清晰的地理傳播脈絡(luò)和時間演化譜系，如早期武漢毒株、隨后出現(xiàn)的歐洲和北美分支等。比較基因組學(xué)還揭示了病毒不斷出現(xiàn)的突變和重組事件，如Delta和Omicron變異株的出現(xiàn)及其快速傳播。通過識別基因增益（如刺突蛋白的突變）和丟失事件，可以評估病毒的致病性和傳播能力變化。此外，比較不同宿主來源（如人、動物）的病毒基因組，有助于追蹤病毒的宿主轉(zhuǎn)換和自然來源。這些分析為制定有效的防控策略（如疫苗設(shè)計(jì)、病毒監(jiān)測）提供了關(guān)鍵的科學(xué)依據(jù)。**解析思路：*考察結(jié)合實(shí)例闡述比較基因組學(xué)應(yīng)用的能力。答案需選擇一個具體實(shí)例（如COVID-19），清晰說明如何通過比較基因組學(xué)的方法（序列分析、系統(tǒng)發(fā)育、變異追蹤）來追蹤進(jìn)化傳播，并點(diǎn)明其意義和應(yīng)用價值。3.設(shè)計(jì)一個簡要的分析流程，用于研究某個環(huán)境樣品（如土壤或水體）中的微生物群落結(jié)構(gòu)及其潛在功能。說明選擇的主要分析工具和方法，并簡述理由。*答案要點(diǎn)：分析流程：①樣品采集與DNA提?。虎诟咄繙y序（推薦16SrRNA測序進(jìn)行物種結(jié)構(gòu)分析，或宏基因組測序進(jìn)行功能潛力分析）；③序列質(zhì)量控制和過濾；④序列比對（16S用Greengenes/SILVA數(shù)據(jù)庫，宏基因組用GTDB/NCBIRefSeq等）；⑤物種鑒定/功能基因注釋（16S用RDP/SILVA/NCBI數(shù)據(jù)庫，宏基因組用MetaGeneMark/MAGPIE/eggnog等）；⑥群落結(jié)構(gòu)分析（計(jì)算Alpha/Beta多樣性指數(shù)，如Shannon/Simpson指數(shù)，進(jìn)行PCA/PCoA分析）；⑦潛在功能分析（基于注釋結(jié)果，統(tǒng)計(jì)KEGG/GO通路豐度，分析核心功能基因）；⑧結(jié)果可視化與解釋。選擇的工具和方法及理由：16SrRNA測序（方法）因其技術(shù)成熟、成本相對較低、可覆蓋較廣的微生物譜，適合初步評估群落結(jié)構(gòu)。序列比對（方法）選擇保守?cái)?shù)據(jù)庫（如Greengenes/SILVA）以保證覆蓋度。物種鑒定（工具/方法）選擇RDP/SILVA數(shù)據(jù)庫獲得較高的分類學(xué)準(zhǔn)確性。宏基因組測序（方法）能提供更全面的基因信息，揭示群落功能潛力。功能注釋（工具/方法）選擇MetaGeneMark/MAGPIE等能較好地識別環(huán)境樣品中的未知基因。Alpha/Beta多樣性分析（方法