2025年大學(xué)《生物信息學(xué)》專業(yè)題庫——生物信息學(xué)與環(huán)境遺傳學(xué)研究考試時間：______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在題干后的括號內(nèi)）1.在進(jìn)行宏基因組數(shù)據(jù)分析時，通常首先需要對原始測序數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評估，以下哪項不是常用的質(zhì)量評估指標(biāo)？（）A.Q值（QualityScore）B.GC含量（Guanine-CytosineContent）C.讀長分布（ReadLengthDistribution）D.嵌套序列比例（PercentageofNestedReads）2.16SrRNA基因測序技術(shù)中，V3-V4區(qū)域通常被選為擴(kuò)增子區(qū)域，主要原因在于該區(qū)域？（）A.包含了物種特異性最高的序列信息B.含有大量的保守區(qū)，便于引物設(shè)計C.能夠有效區(qū)分不同的操作分類單元（OTU）D.在不同環(huán)境樣本中具有相似的豐度3.以下哪種生物信息學(xué)工具主要用于對多序列alignments進(jìn)行比對和排序？（）A.FastQCB.BLASTC.MAFFTD.Hadoop4.在分析環(huán)境樣本的微生物群落Alpha多樣性時，Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)相比，以下哪種說法是正確的？（）A.Shannon指數(shù)更能反映群落中優(yōu)勢物種的豐度B.Simpson指數(shù)計算更簡單，但可能忽略少數(shù)類群C.兩者計算結(jié)果總是完全一致D.Shannon指數(shù)不適用于偏途群落5.環(huán)境DNA（eDNA）metabarcoding技術(shù)相較于傳統(tǒng)的環(huán)境樣本宏測序方法，其主要優(yōu)勢在于？（）A.可以直接分析微生物的群落功能B.無需提取環(huán)境樣本中的DNAC.能夠檢測到更小的生物體遺骸D.成本更低，通量更高6.如果要檢測環(huán)境樣本中特定基因或標(biāo)記的豐度變化，以下哪種測序策略可能最合適？（）A.16SrRNA基因測序B.基于捕獲測序的靶向重測序C.宏基因組測序D.單細(xì)胞測序7.在進(jìn)行環(huán)境樣本宏基因組數(shù)據(jù)的物種注釋時，常用的數(shù)據(jù)庫不包括？（）A.NCBIRefSeqB.PfamC.KEGGD.Silva8.以下哪項技術(shù)通常不用于環(huán)境遺傳多樣性的群體結(jié)構(gòu)分析？（）A.主成分分析（PCA）B.Admixture分析C.系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建D.結(jié)構(gòu)分析（Structure）9.在利用環(huán)境DNA進(jìn)行物種分布推斷時，eDNA源強(qiáng)度（SourceStrength）主要受哪些因素影響？（）A.物種豐度、環(huán)境溫度、DNA降解速率B.測序深度、擴(kuò)增子選擇、實驗室操作C.物種體型、食性、生命周期D.數(shù)據(jù)分析方法、軟件選擇、研究經(jīng)費10.Linux系統(tǒng)中，以下哪個命令用于查看當(dāng)前工作目錄的文件列表？（）A.headB.tailC.lsD.grep二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在題干橫線上）1.對于高通量測序數(shù)據(jù)，常用的質(zhì)量控制工具_(dá)_____和______能夠進(jìn)行初步的質(zhì)量評估。2.宏基因組數(shù)據(jù)的功能預(yù)測可以借助______數(shù)據(jù)庫或______數(shù)據(jù)庫進(jìn)行基因功能注釋。3.環(huán)境遺傳標(biāo)記開發(fā)過程中，需要評估標(biāo)記的多態(tài)性，常用的統(tǒng)計指標(biāo)是______。4.比較不同環(huán)境樣本或不同群體間微生物群落差異的常用分析方法包括______分析和______分析。5.Tajima'sD是一個用于檢測群體______的統(tǒng)計量。6.基于高通量測序開發(fā)環(huán)境DNA條形碼時，需要關(guān)注標(biāo)記的______、______和______。7.在生物信息學(xué)分析流程中，使用Shell腳本可以______和______。8.常用的序列比對算法包括______比對和______比對。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述使用Illumina測序平臺對環(huán)境樣本進(jìn)行宏基因組測序的主要流程。2.比較16SrRNA基因測序和宏基因組測序在環(huán)境微生物研究中的主要區(qū)別和適用場景。3.簡述環(huán)境遺傳標(biāo)記（如環(huán)境DNA條形碼）相比于傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)分類方法的優(yōu)勢。4.解釋什么是環(huán)境DNA（eDNA），并簡述其在生物多樣性研究中的應(yīng)用潛力。四、操作/編程題（10分）假設(shè)你已獲得一組環(huán)境樣本的16SrRNA基因測序數(shù)據(jù)（模擬數(shù)據(jù)），序列文件名為`environmental_sample.fasta`。請簡述使用Qiime2軟件處理該數(shù)據(jù)的第一個主要步驟（從導(dǎo)入數(shù)據(jù)開始），并寫出執(zhí)行該步驟所需的基本命令或描述所需操作的參數(shù)。不要求進(jìn)行完整的分析，僅要求說明導(dǎo)入數(shù)據(jù)和進(jìn)行質(zhì)量控制的命令/參數(shù)。五、論述題（30分）假設(shè)一項研究發(fā)現(xiàn)，在受重金屬污染的河流下游區(qū)域，與上游區(qū)域相比，河流底泥中的微生物群落結(jié)構(gòu)（基于16SrRNA基因測序）發(fā)生了顯著變化，特別是某些耐重金屬的細(xì)菌類群豐度增加。請結(jié)合你所學(xué)到的生物信息學(xué)和微生物生態(tài)學(xué)知識，闡述如何利用生物信息學(xué)方法分析該數(shù)據(jù)集，以深入探討微生物群落結(jié)構(gòu)變化與環(huán)境脅迫（重金屬污染）之間的關(guān)系。請至少提及群落結(jié)構(gòu)分析、多樣性與環(huán)境因子關(guān)聯(lián)分析等方面，并說明可能的分析思路和考察的生物學(xué)問題。試卷答案一、選擇題1.D2.C3.C4.B5.C6.B7.B8.C9.A10.C二、填空題1.FastQC,Trimmomatic(或類似工具，如Cutadapt)2.KEGG,COG3.多態(tài)性信息含量（PIC）(或等位基因頻率變異系數(shù)VAF)4.Alpha多樣性,Beta多樣性5.系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)/遺傳分化6.通用性,特異性,穩(wěn)定性7.自動化,效率化8.對齊(Alignment),比對(Comparison)(或局部比對,全局比對)三、簡答題1.環(huán)境樣本采集與保存->DNA/RNA提取與純化->測序文庫構(gòu)建(PCR擴(kuò)增目標(biāo)區(qū)域,加入索引序列等)->高通量測序(如Illumina測序儀)->原始測序數(shù)據(jù)質(zhì)控(評估質(zhì)量,去除低質(zhì)量讀長等)->測序數(shù)據(jù)預(yù)處理(過濾宿主DNA,格式轉(zhuǎn)換,拼接等)->序列比對(將讀長比對到參考基因組或數(shù)據(jù)庫)->數(shù)據(jù)分析(物種注釋,功能注釋,多樣性分析,差異分析等)。2.16SrRNA基因測序：目標(biāo)區(qū)域固定（通常V1-V3或V3-V4），通量相對較低，成本較低，主要關(guān)注目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的操作分類單元（OTU）豐度，適合群落結(jié)構(gòu)概況和物種豐度變化研究。宏基因組測序：目標(biāo)區(qū)域不固定（全基因組或非編碼區(qū)），通量高，成本高，能分析所有基因信息，適合功能探索、新基因發(fā)現(xiàn)、代謝通路分析。適用場景：16S適合快速評估群落結(jié)構(gòu)變化、研究已知功能微生物。宏基因組適合深入理解群落功能、發(fā)現(xiàn)未知微生物、研究復(fù)雜環(huán)境下的微生物作用機(jī)制。3.環(huán)境DNA條形碼無需依賴形態(tài)學(xué)特征，可通過分子手段直接檢測環(huán)境樣本中的DNA，檢測范圍更廣（包括難以區(qū)分的近緣種、隱存種、小型生物甚至已滅絕物種），檢測效率高，不受環(huán)境條件（如光照、溫度）限制，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化程度提高，便于大規(guī)模、標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)查。4.環(huán)境DNA（eDNA）是指生物體釋放到環(huán)境介質(zhì)（水、土壤、空氣）中的DNA遺骸片段。應(yīng)用潛力：通過檢測水體中的eDNA可用于快速、無干擾地監(jiān)測水生生物的分布和豐度，包括魚類、兩棲類、昆蟲等；可用于物種多樣性調(diào)查和生物資源評估；有助于瀕危物種追蹤和監(jiān)測；在環(huán)境DNAmetabarcoding中，可用于構(gòu)建環(huán)境遺傳圖譜，研究生物與環(huán)境的關(guān)系。四、操作/編程題使用Qiime2導(dǎo)入序列文件并進(jìn)行質(zhì)量控制的基本命令如下：```bashqiimetoolsimport\--type'SampleData[SequencesWithQuality]'\--input-pathenvironmental_sample.fasta\--output-pathimported_sequences.qzaqiimedemuxsummarize\--i-dataimported_sequences.qza\--o-visualizationimported_sequences_summary.qzv```解析思路：首先使用`qiimetoolsimport`命令將FASTA格式的序列文件導(dǎo)入Qiime2數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（QZA文件）。這里指定了輸入文件路徑`environmental_sample.fasta`和輸出文件名`imported_sequences.qza`。導(dǎo)入后，使用`qiimedemuxsummarize`命令對導(dǎo)入的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量概述，即進(jìn)行初步的質(zhì)量控制，統(tǒng)計有效讀長數(shù)量、堿基質(zhì)量分布等基本信息，并生成可視化報告（QZV文件），用于評估數(shù)據(jù)質(zhì)量。五、論述題生物信息學(xué)方法是研究環(huán)境污染下微生物群落結(jié)構(gòu)變化與環(huán)境脅迫關(guān)系的重要工具。分析思路如下：1.數(shù)據(jù)預(yù)處理與質(zhì)量控制：首先對原始16SrRNA基因測序數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)控，包括去除低質(zhì)量讀長、去除引物序列、過濾嵌套測序讀長、去除chimeras等，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量。使用工具如Qiime2的`dada2`或`cutadapt`進(jìn)行質(zhì)控。2.物種鑒定與群落結(jié)構(gòu)分析：對質(zhì)控后的序列進(jìn)行物種水平上的分類學(xué)鑒定（如使用DADA2或Usearch/SILVA查詢數(shù)據(jù)庫）。計算樣品間的Alpha多樣性指數(shù)（如Shannon,Simpson）以評估群落豐富度和均勻度，比較上下游區(qū)域的差異。計算Beta多樣性指數(shù)（如Bray-Curtis距離）并結(jié)合非度量多維尺度分析（NMDS）或主坐標(biāo)分析（PCoA）可視化樣品間的群落結(jié)構(gòu)差異。3.差異菌群分析：使用差異分析工具（如Qiime2的`beta-diversity`下的`compare`功能，或R包如DESeq2,metaMDS）識別在污染下游區(qū)域豐度顯著增加或減少的特定物種或功能類別。可以篩選出耐重金屬指示物種。4.關(guān)聯(lián)分析：將群落結(jié)構(gòu)分析結(jié)果（如Beta多樣性距離、特定物種豐度）與環(huán)境因子數(shù)據(jù)（如重金屬濃