2025年大學(xué)《生物信息學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——基因組學(xué)對(duì)野生動(dòng)物保護(hù)的貢獻(xiàn)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述高通量測(cè)序（NGS）技術(shù)相比傳統(tǒng)測(cè)序方法的主要優(yōu)勢(shì)及其在基因組學(xué)數(shù)據(jù)分析中帶來(lái)的挑戰(zhàn)。二、在野生動(dòng)物保護(hù)遺傳學(xué)中，什么是遺傳多樣性？請(qǐng)列舉至少三種常用的衡量種群遺傳多樣性的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，并簡(jiǎn)述其含義。說(shuō)明高遺傳多樣性與瀕危物種保護(hù)的關(guān)系。三、利用基因組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行近親繁殖檢測(cè)時(shí)，近交系數(shù)（InbreedingCoefficient,F）是一個(gè)常用指標(biāo)。請(qǐng)解釋近交系數(shù)F的取值范圍及其生物學(xué)意義。描述在瀕危物種的圈養(yǎng)繁育計(jì)劃中，如何利用F值來(lái)指導(dǎo)親本選擇，以避免近交衰退。四、個(gè)體識(shí)別技術(shù)在野生動(dòng)物研究中具有重要應(yīng)用。請(qǐng)簡(jiǎn)述利用線粒體DNA進(jìn)行個(gè)體識(shí)別的基本原理。與線粒體DNA相比，核基因組標(biāo)記（如微衛(wèi)星、SNP）在個(gè)體識(shí)別方面有哪些優(yōu)勢(shì)和潛在的局限性？五、環(huán)境DNA（eDNA）技術(shù)在野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)中展現(xiàn)出巨大潛力。請(qǐng)簡(jiǎn)述eDNA技術(shù)的核心原理及其在物種檢測(cè)、種群調(diào)查等方面的優(yōu)勢(shì)。討論應(yīng)用eDNA技術(shù)進(jìn)行野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)時(shí)可能面臨的主要挑戰(zhàn)。六、設(shè)計(jì)一個(gè)利用基因組學(xué)方法監(jiān)測(cè)某瀕危大熊貓亞種（如四川大熊貓）種群連通性的研究方案。請(qǐng)簡(jiǎn)述研究目標(biāo)、所需樣本類(lèi)型、分子標(biāo)記選擇（類(lèi)型及理由）、關(guān)鍵生物信息學(xué)分析步驟（如群體結(jié)構(gòu)分析、基因流分析）以及預(yù)期結(jié)果解讀。七、非法野生動(dòng)物貿(mào)易是全球性的嚴(yán)峻問(wèn)題。描述如何利用基因組學(xué)分析技術(shù)（如DNA條形碼、個(gè)體識(shí)別）來(lái)協(xié)助打擊非法貿(mào)易活動(dòng)。舉例說(shuō)明該技術(shù)在何種案件或場(chǎng)景下特別有效。八、比較基因組學(xué)分析可以在哪些方面幫助科學(xué)家理解野生動(dòng)物的適應(yīng)性進(jìn)化？請(qǐng)列舉至少兩種具體的比較基因組學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景，并簡(jiǎn)述其分析思路和潛在的保護(hù)生物學(xué)意義。試卷答案一、優(yōu)勢(shì)：讀取通量高、成本效益顯著、可并行處理大量數(shù)據(jù)、能夠?qū)蚪M進(jìn)行全序列覆蓋或深度測(cè)序、可分析多種分子類(lèi)型（如DNA、RNA、蛋白質(zhì)）。挑戰(zhàn)：數(shù)據(jù)量巨大、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需要專(zhuān)業(yè)的生物信息學(xué)分析能力、數(shù)據(jù)處理和分析成本高、對(duì)原始測(cè)序數(shù)據(jù)質(zhì)量要求高。二、遺傳多樣性定義：指一個(gè)種群中基因的變異程度，包括等位基因頻率的多態(tài)性和個(gè)體間的遺傳差異。衡量指標(biāo)：1.核苷酸多樣性（π）：種群基因庫(kù)中所有位點(diǎn)核苷酸變異的平均值，反映整體遺傳變異水平。2.雜合度（He）：種群中雜合基因型的比例，衡量等位基因的共享程度，常用He=2pq（硬yule模型下）。3.平均等位基因數(shù)量（A）：每個(gè)位點(diǎn)上觀察到的等位基因的平均數(shù)量。高遺傳多樣性與保護(hù)關(guān)系：高遺傳多樣性通常意味著種群對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)能力更強(qiáng)，抵抗疾病的能力更強(qiáng)，具有更大的進(jìn)化潛力，從而降低滅絕風(fēng)險(xiǎn)，是種群健康和可持續(xù)性的重要指標(biāo)。三、F值取值范圍：-1≤F≤1。生物學(xué)意義：*F<0：表示種群存在群體外的等位基因輸入（Outbreeding），F(xiàn)值越負(fù)表示外源輸入越多。*F=0：表示理想Hardy-Weinberg平衡狀態(tài)，無(wú)近交也無(wú)遠(yuǎn)交。*F>0：表示種群內(nèi)部存在近交（Inbreeding），F(xiàn)值越大表示近交程度越高。應(yīng)用：在圈養(yǎng)繁育計(jì)劃中，通過(guò)計(jì)算候選親本的F值及后代預(yù)期F值，選擇F值較低（即親本間及后代近交程度較低）的個(gè)體進(jìn)行配對(duì)，以最大限度地保留種群遺傳多樣性，減緩近交衰退進(jìn)程。四、線粒體DNA個(gè)體識(shí)別原理：線粒體DNA（mtDNA）是裸露的、通常以多拷貝形式存在于細(xì)胞質(zhì)中，易于提??；其基因組相對(duì)較小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、進(jìn)化速度快、復(fù)制的母系遺傳模式（通常無(wú)重組或重組率極低），使得每個(gè)個(gè)體具有獨(dú)特的mtDNA序列或等位基因組合（如單倍型），可用于區(qū)分個(gè)體。核基因組標(biāo)記優(yōu)勢(shì)：提供更豐富的遺傳信息，能夠區(qū)分線粒體DNA無(wú)法區(qū)分的個(gè)體（如同工酶）；包含父系遺傳信息；部分標(biāo)記（如SNP）數(shù)據(jù)可以標(biāo)準(zhǔn)化和整合到大型數(shù)據(jù)庫(kù)中。核基因組標(biāo)記局限性：存在重組，可能破壞序列間的連鎖信息；基因組龐大，選擇特定標(biāo)記區(qū)域和分析可能較復(fù)雜；個(gè)體識(shí)別所需的信息量可能比mtDNA更大或更難預(yù)測(cè)；某些標(biāo)記（如一些SNP）可能在不同個(gè)體間存在多態(tài)性較低的問(wèn)題。五、eDNA技術(shù)原理：某物種個(gè)體在生命活動(dòng)過(guò)程中會(huì)釋放出少量DNA到環(huán)境中（如水體、土壤、空氣），這些環(huán)境中的DNA稱(chēng)為環(huán)境DNA。通過(guò)采集環(huán)境樣品，提取其中的eDNA，并進(jìn)行PCR擴(kuò)增或高通量測(cè)序，可以檢測(cè)到目標(biāo)物種的DNA片段，從而判斷該物種是否存在于特定環(huán)境中。優(yōu)勢(shì)：*非侵入性，可遠(yuǎn)程、隱蔽地監(jiān)測(cè)物種存在。*理論上可檢測(cè)到任何生命體留下的DNA痕跡。*可用于監(jiān)測(cè)難以直接觀察或捕捉的物種（如深海、洞穴物種）。*可用于大范圍種群分布和豐度的估算。*成本相對(duì)較低（相比捕獲采樣）。挑戰(zhàn)：*eDNA濃度極低，需要高效的提取和擴(kuò)增技術(shù)。*環(huán)境樣品復(fù)雜，存在大量背景DNA干擾，需要強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力去除污染。*DNA降解問(wèn)題，環(huán)境因素影響DNA的降解速度。*需要建立物種特異性、高靈敏度的檢測(cè)方法和數(shù)據(jù)庫(kù)。*檢測(cè)到的eDNA只能證明物種近期存在，無(wú)法確定物種數(shù)量、行為等信息。*對(duì)生態(tài)系統(tǒng)擾動(dòng)的影響和eDNA半衰期的精確評(píng)估尚不充分。六、研究方案：研究目標(biāo)：評(píng)估四川大熊貓?zhí)囟▍^(qū)域內(nèi)不同棲息地片段間的種群連通性，了解基因流水平，為制定有效的保護(hù)區(qū)連接策略和遷地保護(hù)計(jì)劃提供遺傳學(xué)依據(jù)。樣本類(lèi)型：采集各研究區(qū)域（選擇代表性的棲息地斑塊）大熊貓的非侵入性樣本，如糞便、毛發(fā)（附著皮屑）、尿液等。分子標(biāo)記選擇：*首選：微衛(wèi)星標(biāo)記。優(yōu)勢(shì)在于等位基因數(shù)量多、多態(tài)性高，個(gè)體識(shí)別能力強(qiáng)，技術(shù)相對(duì)成熟，是衡量基因流的常用指標(biāo)。選擇10-15個(gè)在四川大熊貓中具有高多態(tài)性的微衛(wèi)星位點(diǎn)。*備選或補(bǔ)充：高密度SNP芯片或全基因組測(cè)序數(shù)據(jù)。SNP數(shù)據(jù)提供更豐富的遺傳信息，可進(jìn)行更精細(xì)的群體結(jié)構(gòu)分析、親緣關(guān)系和個(gè)體識(shí)別，但成本較高，數(shù)據(jù)分析更復(fù)雜。關(guān)鍵生物信息學(xué)分析步驟：1.數(shù)據(jù)預(yù)處理：DNA提取、質(zhì)檢、PCR擴(kuò)增（微衛(wèi)星）或測(cè)序（SNP/基因組）；數(shù)據(jù)過(guò)濾（去除低質(zhì)量讀段、引物序列等）；等位基因頻率計(jì)算。2.個(gè)體識(shí)別與遺傳多樣性分析：（若使用微衛(wèi)星）計(jì)算每個(gè)個(gè)體的等位基因組成；計(jì)算種群和亞種群的遺傳多樣性指標(biāo)（He,A,allelicrichness）；（若使用SNP）去除稀有力別等位基因，計(jì)算基本遺傳多樣性指標(biāo)。3.群體結(jié)構(gòu)分析：使用Structure,ADMIXTURE等軟件，基于微衛(wèi)星或SNP數(shù)據(jù)，分析不同種群間的遺傳分化程度和個(gè)體歸屬，識(shí)別潛在的遺傳邊界和混合區(qū)域。4.基因流分析：使用AFLP-Structure,Migrate,GENEPOP等軟件或自定義分析方法，基于微衛(wèi)星或SNP數(shù)據(jù)，估計(jì)種群間的基因流（Nm值），評(píng)估連通性強(qiáng)度。5.地理空間分析：將遺傳分析結(jié)果（如群體結(jié)構(gòu)、基因流）與地理信息系統(tǒng)（GIS）數(shù)據(jù)（如棲息地地圖、道路、河流）結(jié)合，可視化種群連通性格局，識(shí)別障礙物和瓶頸區(qū)域。預(yù)期結(jié)果解讀：通過(guò)分析群體結(jié)構(gòu)、基因流強(qiáng)度和地理空間格局，判斷四川大熊貓不同區(qū)域種群是否隔離，連通性如何。高基因流區(qū)域表明種群間基因交流頻繁；低基因流或存在明顯遺傳分化的區(qū)域提示存在地理障礙或長(zhǎng)期隔離。結(jié)果可為優(yōu)化保護(hù)區(qū)網(wǎng)絡(luò)（如建立生態(tài)廊道）、調(diào)整圈養(yǎng)繁殖計(jì)劃中的親本來(lái)源選擇提供科學(xué)建議，以維持或恢復(fù)種群間的基因流動(dòng)。七、利用基因組學(xué)技術(shù)打擊非法野生動(dòng)物貿(mào)易：*DNA條形碼技術(shù)：為常見(jiàn)或高價(jià)值貿(mào)易物種（如犀牛角、象牙、穿山甲片、野生動(dòng)物毛皮、藥材）建立標(biāo)準(zhǔn)化的DNA條形碼參考數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)檢測(cè)到非法制品時(shí)，通過(guò)測(cè)序比對(duì)，快速鑒定物種來(lái)源，確定是否為國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)物種或CITES附錄物種，為案件定性提供證據(jù)。*個(gè)體識(shí)別技術(shù)：利用微衛(wèi)星或基因組標(biāo)記，對(duì)非法制品樣本進(jìn)行DNA提取和鑒定。如果樣本足夠純凈，可以精確識(shí)別個(gè)體身份。這有助于追蹤非法捕獵的具體個(gè)體，尤其是在涉及特定保護(hù)動(dòng)物（如大熊貓、虎）時(shí)，可以對(duì)盜獵者進(jìn)行精確追責(zé)。此外，可以將不同案件中的個(gè)體DNA信息進(jìn)行比對(duì)，串并案件，揭示非法貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)。*環(huán)境DNA（eDNA）檢測(cè)：在非法貿(mào)易活動(dòng)的源頭地（如偷獵現(xiàn)場(chǎng)附近、運(yùn)輸路線、加工點(diǎn)）或最終市場(chǎng)環(huán)境中采集樣品（水體、土壤），檢測(cè)是否存在目標(biāo)物種的eDNA。這有助于追蹤非法活動(dòng)的地點(diǎn)、監(jiān)測(cè)盜獵范圍、甚至在交易完成前發(fā)現(xiàn)線索。應(yīng)用場(chǎng)景舉例：*利用犀牛角DNA條形碼比對(duì)，確認(rèn)其來(lái)源為特定保護(hù)犀牛，為打擊偷獵行為提供法律證據(jù)。*對(duì)非法捕撈的魚(yú)翅樣本進(jìn)行DNA條形碼鑒定，識(shí)別瀕危鯊魚(yú)種類(lèi)，打擊非法漁業(yè)。*通過(guò)分析非法毛發(fā)樣本的微衛(wèi)星標(biāo)記，識(shí)別偷獵者獵殺的雪豹個(gè)體，協(xié)助執(zhí)法部門(mén)追查。*在市場(chǎng)土壤樣本中檢測(cè)到虎的eDNA，指示附近可能存在非法虎制品交易活動(dòng)。八、比較基因組學(xué)在適應(yīng)性進(jìn)化研究中的應(yīng)用（野生動(dòng)物保護(hù)意義）：1.適應(yīng)性基因/位點(diǎn)鑒定：通過(guò)比較不同環(huán)境適應(yīng)的同類(lèi)群（如高山vs平原物種、淡水vs海水物種）或不同地理隔離的種群間的基因組序列差異，利用統(tǒng)計(jì)方法（如Fst檢測(cè)、選擇掃描）識(shí)別在適應(yīng)性進(jìn)化過(guò)程中經(jīng)歷選擇壓力的基因或DNA片段。這些基因可能涉及對(duì)特定環(huán)境因子（如溫度、鹽度、食物成分、病原體）的響應(yīng)。保護(hù)意義在于，鑒定出的適應(yīng)性基因是理解物種適應(yīng)機(jī)制的關(guān)鍵，有助于預(yù)測(cè)物種在未來(lái)氣候變化等環(huán)境壓力下的響應(yīng)能力，為制定適應(yīng)性管理策略提供線索。2.適應(yīng)性景觀構(gòu)建與路徑