2025年大學《生物信息學》專業(yè)題庫——生物信息學在植物激素信號傳導研究中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述生長素信號傳導的主要途徑及其在植物生長發(fā)育中的至少三個重要作用。二、列舉至少五個在植物激素信號傳導研究中常用的公共數(shù)據(jù)庫，并簡要說明其中兩個數(shù)據(jù)庫的主要功能。三、假設(shè)你獲得了一組在赤霉素處理下與對照相比顯著上調(diào)表達的擬南芥基因轉(zhuǎn)錄本序列數(shù)據(jù)。請描述你會采取的生物信息學步驟來分析這些基因的潛在功能，并說明每一步驟的目的。四、簡述GO富集分析的基本原理，并解釋為什么在進行差異基因表達分析后，通常需要對差異基因進行GO富集分析。五、描述利用生物信息學方法預測植物激素信號轉(zhuǎn)錄因子（TF）功能域的基本思路，并說明這些預測結(jié)果對于理解信號傳導通路的意義。六、比較基于蛋白質(zhì)序列比對的系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建方法和基于分子系統(tǒng)學（如貝葉斯分析、最大似然法）構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹方法在應用于研究植物激素受體家族進化關(guān)系時的主要異同點。七、設(shè)計一個生物信息學分析方案，用于研究茉莉酸信號通路基因在響應病原菌侵染過程中的表達模式變化。你的方案應至少包含數(shù)據(jù)來源的選擇、核心分析步驟以及預期獲得的結(jié)果類型。八、某研究論文報道了通過生物信息學分析鑒定出一種新的擬南芥脫落酸受體亞家族成員。請討論在僅基于生物信息學分析結(jié)果的情況下，推斷該新成員可能參與脫落酸信號傳導的依據(jù)可能有哪些，并指出這種方法的局限性。試卷答案一、生長素主要通過經(jīng)典的酸生長素（AuxinAcidGrowthTheory）途徑和依賴Auxin/Indole-3-AceticAcid(Aux/IAA)抑制劑途徑傳導信號。*經(jīng)典途徑：IAA誘導質(zhì)子泵將質(zhì)子泵出細胞壁，導致細胞壁酸化，激活expansins（膨脹蛋白），使細胞壁伸展性增加，從而引起細胞伸長生長。此途徑主要調(diào)控細胞縱向伸長。*Aux/IAA抑制劑途徑：IAA與膜受體TIR1/AFBs結(jié)合，進而識別并泛素化Aux/IAA蛋白。泛素化的Aux/IAA蛋白隨后被26S蛋白酶體降解，釋放出生長素響應因子ARF（AuxinResponseFactor）。活化的ARF可以結(jié)合到靶基因啟動子區(qū)域的AuxinResponseElement(ARE)序列，調(diào)控下游基因的表達，影響植物分生組織維持、根莖伸長、器官極性、維管組織分化等多種生長和發(fā)育過程。*重要作用：1.極性運輸：維持生長素在胚芽鞘和幼根中的單向運輸，決定根和莖的定向生長。2.維管系統(tǒng)發(fā)育：參與木質(zhì)部和韌皮部的模式建立和分化。3.器官塑造：調(diào)控葉片原基的起始、下胚軸的伸長、花器官的分化等。二、常用數(shù)據(jù)庫：1.NCBI(NationalCenterforBiotechnologyInformation)GenBank:美國國家生物技術(shù)信息中心維護的綜合性基因序列數(shù)據(jù)庫，包含大量來自各種生物的DNA、RNA和蛋白質(zhì)序列，提供序列檢索、下載、分析工具（如BLAST）等。2.TAIR(TheArabidopsisInformationResource):專門針對擬南芥的綜合性信息數(shù)據(jù)庫，包含基因組序列、基因注釋、表達數(shù)據(jù)、突變體信息、文獻、圖譜等，是研究擬南芥的權(quán)威資源。3.KEGG(KyotoEncyclopediaofGenesandGenomes):京都基因與基因組百科全書，整合了基因組、生化路徑、疾病、藥物等多組學信息，提供路徑圖數(shù)據(jù)庫、KEGGMapper等分析工具。4.PlantCyc:一個專注于植物次生代謝產(chǎn)物生物合成途徑和調(diào)控的數(shù)據(jù)庫，特別包含了擬南芥等模式植物的信息。5.Phytozome:整合了多種植物（特別是主要模式植物如擬南芥、水稻、玉米、小麥等）基因組數(shù)據(jù)的綜合性數(shù)據(jù)庫，提供基因注釋、基因組瀏覽器、系統(tǒng)發(fā)育分析等功能。*主要功能說明(以NCBIGenBank和TAIR為例)：*NCBIGenBank:作為全球最大的序列倉庫，是獲取各種生物序列數(shù)據(jù)的首選之地。其BLAST工具可用于序列相似性搜索，是基因鑒定和功能研究的常用手段。其RefSeq項目提供注釋相對穩(wěn)定的參考序列。*TAIR:提供擬南芥研究所需的一站式資源。用戶可以方便地查找特定基因的信息（如基因ID、序列、同源基因、突變體表型）、獲取表達譜數(shù)據(jù)、查看基因組圖譜、下載序列等。其注釋信息相對詳細且更新及時，是擬南芥研究中不可或缺的工具。三、分析步驟與目的：1.序列質(zhì)量控制與格式轉(zhuǎn)換：對原始轉(zhuǎn)錄本數(shù)據(jù)進行質(zhì)量評估（如去除低質(zhì)量reads），并進行格式轉(zhuǎn)換（如從FASTQ轉(zhuǎn)為FASTA），確保數(shù)據(jù)質(zhì)量滿足后續(xù)分析要求。（目的：保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，為后續(xù)分析提供可靠基礎(chǔ)）。2.序列比對：將差異上調(diào)的轉(zhuǎn)錄本序列與擬南芥參考基因組或蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫（如Swiss-Prot,NCBInr）進行比對（如使用BLAST或Bowtie2）。（目的：鑒定基因身份，獲取基因ID，判斷功能域等）。3.功能注釋：基于比對結(jié)果，獲取基因的官方名稱、Synonym、蛋白質(zhì)功能描述、參與的通路等信息。（目的：初步了解這些基因的潛在生物學功能）。4.GO富集分析：對這些差異基因進行GO富集分析（使用工具如DAVID,GOseq,g:Profiler等），富集顯著富集的GOterms（如細胞組分、分子功能、生物學過程）。（目的：從宏觀層面推斷這些基因主要參與的生物學過程和功能）。5.KEGG通路富集分析：對差異基因進行KEGG通路富集分析，識別顯著富集的代謝通路或信號通路。（目的：確定這些基因主要參與的生物學通路，特別是與赤霉素信號傳導相關(guān)的通路）。6.表達模式分析（可選深入）：如果數(shù)據(jù)量允許，可以進一步分析這些基因在不同組織、發(fā)育階段或脅迫條件下的表達模式，以獲得更深入的生物學見解。（目的：揭示基因表達的時空特異性，深化對功能的理解）。四、GO富集分析基本原理：GO富集分析是一種統(tǒng)計方法，用于檢驗一個特定的基因集（如差異表達基因集）中，某個特定的GOterm（如“細胞凋亡”、“轉(zhuǎn)錄調(diào)控”）的富集程度是否顯著高于隨機預期。其基本步驟通常包括：①計算單個GOterm在所有參考基因（如基因組中所有基因）中的預期頻率；②計算單個GOterm在待分析基因集（如差異表達基因集）中的實際觀察頻率；③使用統(tǒng)計檢驗方法（如超幾何檢驗、Fisher精確檢驗、置換檢驗等）計算觀察頻率相對于預期頻率的富集倍數(shù)或P值，以判斷富集是否具有統(tǒng)計學意義。*原因：差異基因表達分析只告訴你哪些基因的表達發(fā)生了變化，但無法直接揭示這些變化基因的共同生物學意義。許多基因可能參與相似的功能或通路，但它們在差異分析中可能因為表達變化幅度不同而被分開。GO富集分析通過統(tǒng)計手段，可以識別出基因集中顯著富集的生物學功能類別或過程，從而將基因列表轉(zhuǎn)化為有意義的生物學描述，幫助研究人員理解差異表達基因集的整體功能背景，為后續(xù)實驗設(shè)計提供線索。五、預測思路：首先，通過生物信息學方法（主要是序列比對）鑒定出潛在的植物激素信號轉(zhuǎn)錄因子（TF）。然后，利用專門的數(shù)據(jù)庫（如Pfam）或在線工具（如SMART,InterProScan）對這些TF的氨基酸序列進行掃描，識別其包含的保守功能域（domain）。許多激素信號TF具有特定的DNA結(jié)合域（如鋅指域、亮氨酸拉鏈域、螺旋-環(huán)-螺旋轉(zhuǎn)域等），這些域是其識別靶基因啟動子區(qū)域ARE序列的關(guān)鍵。通過預測這些功能域，特別是與DNA結(jié)合相關(guān)的域，可以推斷該TF可能參與激素信號傳導的哪個環(huán)節(jié)（如直接調(diào)控下游基因表達）。結(jié)合該TF的GO注釋信息，可以進一步推測其可能調(diào)控的生物學過程。這些預測結(jié)果為后續(xù)實驗驗證（如進行酵母單雜交、ChIP-seq等）提供了候選基因和研究方向。*意義：預測激素信號TF的功能域有助于理解其分子機制，即它們?nèi)绾巫R別并結(jié)合DNA，從而調(diào)控下游基因表達。這對于構(gòu)建激素信號通路模型、理解信號整合機制以及尋找潛在的藥物靶點或育種改良目標具有重要意義。六、主要異同點：*相同點：*目標：都旨在揭示植物激素受體家族成員之間的進化關(guān)系和系統(tǒng)發(fā)育歷史。*數(shù)據(jù)基礎(chǔ)：都以蛋白質(zhì)序列為輸入數(shù)據(jù)。*核心思想：都基于“共同祖先”和“序列差異累積”的進化模型來構(gòu)建進化樹。*不同點：*方法原理：*序列比對法：主要基于氨基酸序列的逐位比對，通過計算序列間的距離（如基于替換模型Jukes-Cantor,Kimura2-parameter等），然后使用距離法（如UPGMA,Neighbor-Joining）或最大似然法（ML）構(gòu)建樹。此方法相對簡單，計算速度快，適用于大量序列。*分子系統(tǒng)學方法（貝葉斯、ML）：是基于模型的方法，不僅考慮序列間的距離，還考慮了進化模型（如JTT,WAG等）對序列演變過程的詳細描述。貝葉斯分析通過馬爾可夫鏈蒙特卡洛（MCMC）抽樣來估計posterior概率分布，可以提供分支支持率（posteriorprobability）和參數(shù)的后驗分布，考慮了模型的復雜性和不確定性。ML尋找能最大化觀測數(shù)據(jù)似然性的樹拓撲結(jié)構(gòu)，也能計算分支自展值（bootstrapvalue），評估樹的穩(wěn)定性。*數(shù)據(jù)類型與整合：分子系統(tǒng)學方法可以更容易地整合不同類型的數(shù)據(jù)（如核基因、線粒體基因、葉綠體基因），并考慮基因間可能的順反轉(zhuǎn)錄事件。*計算復雜度與結(jié)果解釋：分子系統(tǒng)學方法（特別是貝葉斯分析）計算量通常更大，需要專門的軟件和較長的運行時間。其結(jié)果解釋也更為復雜，需要理解后驗概率、模型選擇等概念。*在受體家族研究中的應用側(cè)重：序列比對法可能更適合快速構(gòu)建初步的系統(tǒng)發(fā)育樹，了解大致的分支關(guān)系。而分子系統(tǒng)學方法能提供更精確的進化關(guān)系估計和更可靠的支持率，有助于深入理解受體家族的分化歷史、功能演化等。七、分析方案設(shè)計：1.數(shù)據(jù)來源選擇：*轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)：從公共數(shù)據(jù)庫（如NCBISRA,EBIArrayExpress）或自行實驗獲取擬南芥在茉莉酸處理（如添加茉莉酸甲酯MeJA）和對照（如水處理）條件下的RNA-Seq數(shù)據(jù)（多個生物學重復）。選擇信噪比高、質(zhì)量好的數(shù)據(jù)集。*數(shù)據(jù)庫：主要使用NCBIRefSeq/GenBank（獲取基因ID和序列）、TAIR（獲取擬南芥基因注釋信息）、DAVID/GOseq/g:Profiler（進行GO富集分析）、KEGG（進行KEGG通路富集分析）、BiGGMapper（可視化基因與通路關(guān)系）。2.核心分析步驟：*數(shù)據(jù)預處理：對原始RNA-Seq數(shù)據(jù)（如FASTQ文件）進行質(zhì)量控制（如使用FastQC）、去除接頭序列和低質(zhì)量reads、比對到擬南芥參考基因組（如使用STAR,HISAT2）。*表達定量：使用軟件（如featureCounts,Salmon,DESeq2）計算每個基因在每個樣本中的表達量（如FPKM/TPM值）。*差異表達分析：使用統(tǒng)計方法（如DESeq2,edgeR）比較茉莉酸處理組與對照組的基因表達差異，篩選出在統(tǒng)計學上顯著且表達變化幅度較大的差異表達基因（DEGs）（如設(shè)置FDR<0.05,|log2FoldChange|>1或2）。*功能注釋與富集分析：*將篩選出的茉莉酸響應DEGs進行GO富集分析，識別這些基因富集的生物學過程（BP）、分子功能（MF）和細胞組分（CC）。*將篩選出的茉莉酸響應DEGs進行KEGG通路富集分析，識別這些基因主要參與的代謝通路和信號通路。*聚類分析（可選）：可以根據(jù)表達模式對DEGs進行聚類分析，可視化不同基因在茉莉酸處理下的響應模式（如誘導型、抑制型、時間依賴性變化）。3.預期獲得的結(jié)果類型：*茉莉酸處理后顯著上調(diào)或下調(diào)的基因列表及其表達變化倍數(shù)。*GO富集分析結(jié)果，顯示茉莉酸響應DEGs顯著富集的生物學功能分類。*KEGG通路富集分析結(jié)果，顯示茉莉酸響應DEGs顯著參與的信號通路（如茉莉酸信號通路本身、MAPK通路、防御反應通路等）。*（可選）表達模式聚類圖，展示DEGs的表達變化模式。*基于這些結(jié)果，可以總結(jié)茉莉酸處理對擬南芥基因表達譜的影響，并提出茉莉酸可能通過調(diào)控哪些關(guān)鍵基因和通路來介導相應的生物學反應（如防御、生長發(fā)育調(diào)控）的初步假設(shè)。八、推斷依據(jù)：1.同源性與功能域預測：如果新成員的蛋白質(zhì)序列與已知的脫落酸受體（如ARR亞家族）具有顯著的序列相似性，尤其是在保守的跨膜結(jié)構(gòu)域、胞質(zhì)激酶結(jié)構(gòu)域或核定位信號域中，并且預測也含有這些關(guān)鍵功能域，則可以推斷它可能也具有受體活性，能夠識別脫落酸或其衍生物，并可能通過類似的方式傳遞信號。2.GO注釋與通路關(guān)聯(lián)：如果該新成員的GO注釋顯示其參與脫落酸信號傳導相關(guān)的生物學過程（如激素信號轉(zhuǎn)導、轉(zhuǎn)錄調(diào)控），或者其屬于已知的脫