2025年大學(xué)《生物信息學(xué)》專業(yè)題庫——環(huán)境微生物組數(shù)據(jù)的生物信息學(xué)研究分析考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項字母填入括號內(nèi)）1.環(huán)境微生物組研究的核心目標(biāo)之一是解析樣品中微生物群落的（）。A.絕對豐度B.相對豐度C.功能潛力D.進(jìn)化關(guān)系2.下列哪種高通量測序技術(shù)主要針對目標(biāo)區(qū)域（如16SrRNA基因特定V區(qū)）進(jìn)行測序，通常具有更高的序列準(zhǔn)確性和較低的測序成本？A.全基因組測序(WGS)B.宏基因組測序(Metagenomics)C.16SrRNA基因擴(kuò)增子測序(16SASV/OTU)D.單細(xì)胞測序(Single-cellsequencing)3.在處理環(huán)境微生物組測序數(shù)據(jù)時，去除宿主基因組污染通常利用宿主和微生物基因組在（）上的差異。A.序列長度B.GC含量C.元件組成（如線粒體、葉綠體）D.酶活性4.QIIME2軟件中，用于對原始測序讀段進(jìn)行質(zhì)量控制和過濾的模塊是？A.`dada2`B.`feature-table-filter`C.`align-to-reference`D.`taxonomic-classify`5.用于評估微生物群落內(nèi)部多樣性的常用指標(biāo)是？A.Bray-Curtis距離B.Shannon指數(shù)C.Jaccard指數(shù)D.所有以上選項6.在進(jìn)行差異微生物群落分析時，旨在識別在比較組間豐度存在顯著差異的物種或功能類群的統(tǒng)計方法或工具是？A.Alpha多樣性分析B.Beta多樣性分析C.LEfSeD.PrincipalComponentAnalysis(PCA)7.將測序讀段或特征序列與參考基因組或數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對的目的是？A.計算多樣性指數(shù)B.進(jìn)行物種或功能注釋C.定義OTUsD.生成距離矩陣8.環(huán)境微生物組數(shù)據(jù)通常具有高通量、大數(shù)據(jù)的特點，這給生物信息學(xué)分析帶來了哪些主要挑戰(zhàn)？（請選擇兩個）A.數(shù)據(jù)存儲與管理困難B.計算資源需求高C.序列質(zhì)量參差不齊D.生物信息學(xué)分析工具缺乏9.以下哪個數(shù)據(jù)庫通常被用于環(huán)境微生物宏基因組的功能注釋？A.NCBITaxonomyB.SilvaC.KEGGD.GTDB10.在使用R語言進(jìn)行微生物組數(shù)據(jù)分析時，`phyloseq`包主要用于？A.測序數(shù)據(jù)生成B.微生物群落數(shù)據(jù)的組織、操作和可視化C.物種鑒定D.功能注釋二、填空題（每空1分，共15分。請將答案填入橫線處）1.環(huán)境微生物組高通量測序技術(shù)主要基于_測序_原理。2.16SrRNA基因測序中，常用的變量區(qū)域是_V3-V4_區(qū)。3.用于評估樣品間微生物群落組成差異的常用距離度量方法包括_Bray-Curtis_距離和_Jaccard_指數(shù)。4.宏基因組測序能夠提供樣品中所有_微生物_的基因組信息。5.在生物信息學(xué)分析流程中，數(shù)據(jù)預(yù)處理是保證后續(xù)分析_準(zhǔn)確性_的關(guān)鍵步驟。6.物種注釋是將測序序列映射到_物種_分類單元的過程。7.功能注釋旨在預(yù)測微生物群落所具備的_功能潛力_。8.環(huán)境樣品的微生物組數(shù)據(jù)通常需要進(jìn)行_嚴(yán)格_的質(zhì)量控制。9.常用的微生物多樣性分析指標(biāo)Alpha多樣性指的是_群落內(nèi)部_的多樣性。10.常用的差異分析統(tǒng)計方法在微生物組研究中需考慮_多分類_變量的特點。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述使用16SrRNA基因擴(kuò)增子測序進(jìn)行環(huán)境微生物群落分析的基本流程。2.簡述在生物信息學(xué)分析中，環(huán)境微生物組數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括哪些步驟及其目的。3.簡述Alpha多樣性和Beta多樣性的概念及其在環(huán)境微生物組研究中的應(yīng)用區(qū)別。4.簡述進(jìn)行環(huán)境微生物組功能注釋的主要方法和其意義。四、分析與應(yīng)用題（每題10分，共30分）1.假設(shè)你獲得了一組來自不同土壤類型（A、B、C三種類型）的樣品的16SrRNA基因擴(kuò)增子測序數(shù)據(jù)。初步分析發(fā)現(xiàn)，樣品間存在明顯的差異。請設(shè)計一個簡要的統(tǒng)計分析流程，以探究不同土壤類型之間是否存在顯著的微生物群落結(jié)構(gòu)差異。你需要說明將要使用的分析方法、關(guān)鍵指標(biāo)以及可能使用的生物信息學(xué)工具或R包。2.假設(shè)你進(jìn)行了一項關(guān)于污染脅迫對河流微生物群落影響的研究，獲得了污染河段和非污染河段的宏基因組測序數(shù)據(jù)。請簡述你會如何利用生物信息學(xué)方法分析這些數(shù)據(jù)，以揭示污染對河流微生物群落結(jié)構(gòu)和功能可能產(chǎn)生的影響。請至少涉及兩種不同的分析思路或分析方法。3.在進(jìn)行環(huán)境微生物組數(shù)據(jù)分析時，如何判斷數(shù)據(jù)是否適合進(jìn)行差異分析？如果發(fā)現(xiàn)樣品間存在顯著的環(huán)境因子差異（如pH值、有機質(zhì)含量），在進(jìn)行微生物群落差異分析時需要注意什么？請結(jié)合生物信息學(xué)分析的視角進(jìn)行闡述。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.C4.B5.D6.C7.B8.AB9.C10.B二、填空題1.高通量2.V3-V43.Bray-Curtis,Jaccard4.微生物5.準(zhǔn)確性6.物種7.功能潛力8.嚴(yán)格9.群落內(nèi)部10.多分類三、簡答題1.解析思路：首先要明確16SrRNA基因測序是分子標(biāo)記技術(shù)，其流程通常包括：樣品采集與處理、DNA提取、PCR擴(kuò)增目標(biāo)區(qū)域（如V3-V4區(qū)）、高通量測序、序列質(zhì)量檢查與過濾、序列比對（與參考數(shù)據(jù)庫）、聚類（形成OTUs）、OTU注釋（物種水平）、多樣性分析、差異分析等。回答時需涵蓋這些核心步驟。答：使用16SrRNA基因擴(kuò)增子測序進(jìn)行環(huán)境微生物群落分析的基本流程包括：樣品采集與處理、總DNA提取、特異性引物PCR擴(kuò)增16SrRNA基因的目標(biāo)區(qū)域（如V3-V4區(qū)）、高通量測序產(chǎn)生序列讀段、對原始測序數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查和過濾、將高質(zhì)量序列與參考數(shù)據(jù)庫（如SILVA,Greengenes,NCBI16SrRNA數(shù)據(jù)庫）進(jìn)行比對、根據(jù)一定的相似度閾值將序列聚類成操作分類單元（OTUs）、對OTUs表進(jìn)行物種注釋、進(jìn)行Alpha和Beta多樣性分析、以及比較不同樣品間群落結(jié)構(gòu)的差異等。2.解析思路：環(huán)境樣品的微生物組數(shù)據(jù)通常復(fù)雜且存在噪聲，預(yù)處理是后續(xù)分析準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)。主要步驟應(yīng)包括：去除低質(zhì)量序列、去除引物序列和適配器序列、去除宿主DNA污染、過濾掉無法鑒定的序列、以及根據(jù)研究目的對樣品進(jìn)行篩選（如去除重復(fù)序列、過濾特定OTUs等）。每個步驟都需要說明其目的。答：環(huán)境微生物組數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括：去除低質(zhì)量序列（保證序列準(zhǔn)確性）；去除引物序列和適配器序列（獲得目標(biāo)基因片段）；去除宿主基因組污染（如線粒體、葉綠體、核基因組序列，避免誤導(dǎo)結(jié)果）；過濾掉無法準(zhǔn)確比對的序列或未知序列；根據(jù)需要可能還包括過濾特定豐度的OTUs、去除嵌合體等。這些步驟的目的是提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和準(zhǔn)確性，為后續(xù)的群落結(jié)構(gòu)分析和功能注釋等奠定基礎(chǔ)。3.解析思路：Alpha多樣性衡量群落內(nèi)部的多樣性，Beta多樣性衡量群落之間的差異。Alpha多樣性包括物種豐富度指數(shù)（如Shannon,Simpson）和均勻度指數(shù)，反映單個樣品中包含多少不同物種以及物種分布的均勻程度。Beta多樣性通常通過距離矩陣（如Bray-Curtis,Jaccard）或排序圖（如PCoA,NMDS）來表示，反映不同樣品間群落組成的差異程度。應(yīng)用區(qū)別在于Alpha用于描述群落內(nèi)部狀況，Beta用于比較群落間差異。答：Alpha多樣性是指一個樣品內(nèi)微生物群落構(gòu)成的多樣性，通常使用物種豐富度指數(shù)（如Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)）和物種均勻度指數(shù)來衡量。它反映了樣品中包含多少不同的物種以及這些物種在樣品中的相對豐度分布情況。Beta多樣性是指不同樣品之間微生物群落組成的差異，通常使用距離矩陣（如Bray-Curtis距離、Jaccard指數(shù)）來量化樣品間群落組成的相似性或差異性，并通過排序圖（如PCoA圖、NMDS圖）進(jìn)行可視化。在環(huán)境微生物組研究中，Alpha多樣性用于評估單個樣品的微生物豐富度和均勻度，Beta多樣性用于探究不同環(huán)境條件、處理或地理位置等因素對微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，識別群落差異。4.解析思路：宏基因組的功能注釋目的是了解群落中微生物可能具備的代謝能力等生物學(xué)功能。主要方法包括：基于蛋白質(zhì)序列的注釋（將宏基因組中預(yù)測的蛋白質(zhì)序列與功能數(shù)據(jù)庫如KEGG,KEGGOrthology(KO),COG等進(jìn)行比對）；基于基因序列的注釋（將基因序列與基因目錄或數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對）；以及代謝通路分析（構(gòu)建通路圖，如KEGGPATHWAY）。其意義在于揭示群落的功能潛力，理解其在生態(tài)系統(tǒng)中的作用。答：進(jìn)行環(huán)境微生物組功能注釋的主要方法包括：①基于蛋白質(zhì)序列的注釋，即將宏基因組數(shù)據(jù)預(yù)測的蛋白質(zhì)序列與大型功能數(shù)據(jù)庫（如KEGG,KEGGOrthology(KO),COG）進(jìn)行比對，以識別其可能參與的生物學(xué)過程和功能；②基于基因序列的注釋，將基因組組裝或基因預(yù)測結(jié)果與已知的基因目錄或數(shù)據(jù)庫進(jìn)行注釋；③代謝通路分析，通過整合注釋信息，構(gòu)建微生物群落的功能代謝網(wǎng)絡(luò)或通路圖（如KEGGPATHWAY）。功能注釋的意義在于揭示環(huán)境微生物群落所具備的整體功能潛力，幫助我們理解該群落可能參與的生態(tài)過程（如碳循環(huán)、氮循環(huán)）、對環(huán)境因子的適應(yīng)機制以及潛在的生態(tài)功能，從而更深入地認(rèn)識微生物在環(huán)境系統(tǒng)中的作用。四、分析與應(yīng)用題1.解析思路：檢驗群落結(jié)構(gòu)差異通常使用距離矩陣和統(tǒng)計檢驗。流程應(yīng)包括：計算樣品間的距離矩陣（如Bray-Curtis或Jaccard），進(jìn)行距離矩陣的多重排序（如PCoA或NMDS），使用非參數(shù)檢驗（如PERMANOVA或Adonis）分析土壤類型是否是引起群落差異的主要驅(qū)動因素，并報告統(tǒng)計顯著性。需要明確工具或R包。答：分析流程如下：首先，使用距離度量方法（如Bray-Curtis距離，因其能較好處理abundance數(shù)據(jù)）計算每個樣品之間的群落距離，生成距離矩陣。然后，對距離矩陣進(jìn)行非度量多維尺度分析（NMDS）或主坐標(biāo)分析（PCoA）進(jìn)行多維排序，以可視化樣品間的群落差異格局。接著，使用非參數(shù)的多重方差分析（PERMANOVA）或置換檢驗（Adonis）來檢驗“土壤類型”這個分類變量是否是導(dǎo)致樣品間群落差異的主要因素，并報告檢驗的統(tǒng)計顯著性（如p值）和解釋度（R2值）。分析中可能使用到的生物信息學(xué)工具或R包包括：計算距離和排序可用`vegan`包中的`vegdist`,`metaMDS`或`pcoa`函數(shù)；進(jìn)行PERMANOVA/Adonis可用`vegan`包中的`adonis`或`permanova`函數(shù)。最后，根據(jù)排序圖和統(tǒng)計檢驗結(jié)果，結(jié)合樣品的土壤類型信息，討論不同土壤類型間微生物群落結(jié)構(gòu)存在差異的模式和程度。2.解析思路：分析污染對微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的影響，可以從群落結(jié)構(gòu)變化和功能潛力變化兩個角度入手。結(jié)構(gòu)分析可以比較污染與非污染河段的Alpha/Beta多樣性、差異物種/OTUs、群落組成變化等。功能分析可以基于宏基因組數(shù)據(jù)，比較兩組樣品在功能預(yù)測注釋（如KEGG通路富集）上的差異，看哪些代謝過程在污染下受到抑制或增強。需要體現(xiàn)宏基因組分析的特點。答：分析思路如下：首先，對兩組宏基因組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理和質(zhì)控，然后進(jìn)行物種水平上的OTU聚類和注釋，比較污染組和非污染組的Alpha多樣性（如Shannon指數(shù)）和Beta多樣性（如PCoA/NMDS），以評估污染對微生物群落結(jié)構(gòu)和豐富度的影響。其次，進(jìn)行差異分析，識別在污染河段顯著富集或消失的關(guān)鍵物種或OTUs，并結(jié)合環(huán)境參數(shù)討論其潛在的生態(tài)學(xué)意義。其次，基于宏基因組數(shù)據(jù)，進(jìn)行功能注釋（如使用HMMER搜索蛋白編碼基因，或使用MetaGeneMark進(jìn)行基因預(yù)測后注釋到KEGGKO/PATHWAY），比較兩組樣品在功能預(yù)測上的差異，例如哪些代謝通路（如氮循環(huán)、有機物降解）在污染河段中顯著上調(diào)或下調(diào)。通過這些分析，可以揭示污染脅迫不僅改變了河流微生物群落的組成結(jié)構(gòu)，也可能影響了群落整體的代謝功能潛力和對污染的響應(yīng)機制。3.解析思路：判斷數(shù)據(jù)是否適合差異分析，首先要看Alpha多樣性是否足夠高，物種數(shù)量是否足夠多。其次，要檢查樣品間是否存在顯著的環(huán)境差異，因為如果環(huán)境本身就差異巨大，即使微生物群落有差異，也很難判斷是環(huán)境驅(qū)動還是隨機因素。注意點在于，如果存在顯著的環(huán)境差異，直接比較微生物群落可能導(dǎo)致假陽性或假陰性結(jié)果，需要使用適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計方法來控制或解釋環(huán)境因素的影響（如共現(xiàn)分析、分層分析、多元回歸模型等），或者明確討論環(huán)境因素對結(jié)果的潛在影響。答：判斷數(shù)據(jù)是否適合進(jìn)行差異分析，需要考慮：①Alpha多樣性水平：樣品應(yīng)具有足夠的物種豐富度，Alpha多樣性不能過低，否則差異分析可能缺乏統(tǒng)計效力；②樣品間環(huán)境差異：需要評估比較的樣品是否來自相同或相似的環(huán)境背景。如果樣品間存在顯著的環(huán)境因子差異（如pH、有機質(zhì)含量、溫度等），這些環(huán)境因子本身可能就是導(dǎo)致微生