微生物大数据分析与实践 教学大纲

《微生物大数据分析与实践》课程教学大纲（理论课程）一、课程基本信息课程号1223SDC08005开课单位中国科学院微生物研究所课程名称（中文）微生物大数据分析与实践（英文）Microbialbigdataanalysisandpractice课程性质选修考核类型考查课程学分2课程学时34课程类别专业发展课程（专业拓展课）先修课程微生物学，生物化学、分子生物学、遗传学、生物信息学适用专业（类）生命科学菁英班二、课程描述及目标（一）课程简介《微生物大数据分析与实践》课程是生命科学菁英班一门专业拓展课程，由中国科学院微生物研究所邀请著名专家开设。微生物作为地球环境中的一大类生物群体，每种微生物都有其独特的功能。微生物学（microbiology）作为生物学的分支学科之一，在诸多领域都发挥着举足轻重的作用。近年来，随着测序技术的发展，对于微生物组学的研究持续火热，微生物存在于世界的各个角落，在医疗健康、环境治理、农业种植、工业生产等诸多领域发挥着举足轻重的作用。本课程将重点讲授微生物组学这一前沿领域的最新研究进展以及实际操作方法，邀请本领域内的著名专家，系统介绍微生物组学的概念、进展及发展趋势，结合专家本人的科学发现故事与科学研究体会，在专业知识和科学研究规律两方面讲授学科的前沿和科学研究的方法。生命科学菁英班的学生在完成校内本科基础课及部分专业基础课后，具有一定的专业知识基础上，在中国科学院微生物研究所进行本门课程的学习。通过本课程的学习，学生能够获取和充分利用大数据分析的和技术。同时本课程对促进本科生的信息意识、信息价值、信息德道与信息安全等信息素质观念的形成与发展，提高学生学习、研究和创新能力，以便更好地适应当今信息化社会的需要，为将来从事生物技术相关研究及工作打下能力和技能基础。（二）教学目标课程目标1：掌握利用微生物大数据相关科学研究的方法、特征、原则及注意事项；课程目标2：掌握微生物大数据信息的检索和获取技术；课程目标3：能熟练运用基本的数据分析软件；课程目标4：熟知国内和国际非商业数据平台和主流商业公司；课程目标5：学生树立信息安全、数据安全的意识，具备全球化视野，共享科研数据，为数字化中国建设目标做贡献，适应数字化社会的各项要求。三、课程目标对毕业要求的支撑关系毕业要求指标点课程目标1-3：具有计算机及信息科学等方面的基础知识；课程目标2-42-1：具有主动获取知识的能力课程目标2-52-2：具有综合运用所掌握的理论知识和技能，从事生物技术及其相关领域科学研究的能力；课程目标1-52-4：具有较好的表达交流能力，包括一定的外语应用能力和跨文化交流与合作能力课程目标52-5：具有一定的计算机和信息技术应用能力课程目标2-4四、教学方式与方法课堂上采取教师PPT多媒体演示，结合学生计算机操作的实践演示教学模式，以及设置问题以小组讨论或多媒体演示的方法，使学生掌握文献检索的途径、方法和步骤，并对问题展开科学分析，以提升学生的自我学习能力和创新能力。五、教学重点与难点（一）教学重点微生物大数据分析的原理和技术（二）教学难点微生物大数据分析的实操技术六、教学内容、基本要求与学时分配序号教学内容基本要求学时教学方式对应课程目标1第1讲微生物基因组学微生物基因组学是利用高通量测序技术对单株微生物（细菌、古细菌、真菌、病毒等）的基因组进行解析。利用生物信息学手段揭示微生物基因的组成、密码子使用频率，菌株之间的进化关系等。本章将讲授微生组基因组的概况、研究意义以及常规分析流程。4讲授课程目标12第2讲微生物转录组学微生物转录组学是利用高通量测序技术对单株微生物（细菌、古细菌、真菌、病毒等）的转录组水平进行研究。本章将重点讲授微生物转录组的分析流程（主要包括：基因定量、差异表达分析、通路富集分析以及网络分析等）以及研究意义。4讲授课程目标23第3讲第三章微生物泛基因组学微生物泛基因组是研究某一种微生物全部基因的组成以及环境等外部因素对于基因组成的影响。本章节将重点讲授泛基因组的基本概念（coregenome,dispensablegenomeandstrain-specificgenome）以及基本分析流程及思路。4讲授课程目标34第4章微生物耐药组学抗生素耐药是全球性的公共卫生问题，耐药病原菌尤其是医院获得的耐药病原菌对人体危害极大，常常造成无药可用的境地。本章节将重点讲授细菌耐药组学的定义、常见耐药菌、耐药基因、以及携带耐药基因的可移动原件等。2讲授课程目标45第5章微生物数据分析常用分析软件微生物组学数据分析离不开分析软件的使用，熟练掌握分析软件对完成课题至关重要。本章重点讲授微生物组学分析用到的常用软件（例如blast,clustalw,GCview,MEGA等）以及部分操作流程。4讲授+演示课程目标56第6章微生物宏基因组（16S测序）16S测序是目前应用最广泛的测序技术之一，在医学、农学、生态学等学科中发挥重要作用。本章节将重点讲授16S测序的基本原理（不同可变区域选择）、分析流程（QIIME2，LEfSe，PICRSt等）以及研究意义等。4讲授+自主阅读课程目标17第7章微生物宏基因组（WGS测序）宏基因组WGS测序目前主要应用于肠道微生物样本。其高准确度、检测基因丰度的优势使之成为肠道疾病以及慢性病研究的热门技术。本章节将重点介绍宏基因组WGS测序的基本原理、分析流程（HUMAnN2、MetaCyc、MEGAHIT以及MetaGeneMark等）以及研究意义。2讲授课程目标28第8章R语言基础与GGPLOT2绘图R语言是生物信息分析中常用的编程语言之一，R语言具有强大的绘图、统计功能，对于生物信息从业人员具有极大的帮助。本章节将重点介绍R语言基础函数以及R语言绘图包GGPLOT2以及各种常见图形（柱状图、散点图、折线图、箱线图等）。4讲授+讨论+实践课程目标19第9章基于R语言的微生物数据统计分析R语言除具有绘图的功能，还拥有强大的统计分析能力。这对于处理微生物组学数据至关重要。本章节将重点讲授R语言的一些常见统计学方法以及一些统计分析案例（例如Spearman相关性检验、随机森林建模等）。4讲授+讨论+实践课程目标2-410第10章微生物组学文章构成与解析微生物组学文章常常应用多种组学技术来说明所阐述的核心问题。如何合理使用以及整合多种组学数据往往成为关键所在。本章节将综合本次课程所介绍的多种组学技术、以实例结合的方式介绍多种组学技术在课题中的实际应用。2讲授课程目标5合计34七、实验内容、基本要求与学时分配无。八、学业评价和课程考核（一）考核类型：考试考查（二）考核方式：开卷考试闭卷考试课程论文课程报告其它：（三）成绩评定：考核依据建议分值（百分比）考核/评价细则对应课程目标平时考核30%出勤10旷课三次，取消期末考试资格。全部课程作业10按时提交作业，视作业完成情况给分。全部课程表现10根据课堂参与讨论、提问回答问题情况给分。全部课程实践考核无期末考