2025年大学《生物信息学》专业题库- 生物信息学在昆虫害防治中的应用

2025年大学《生物信息学》专业题库——生物信息学在昆虫害防治中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简述生物信息学在昆虫分类学中的主要应用，并说明DNA条形码技术在该领域的作用和局限性。二、描述利用生物信息学方法研究昆虫抗药性的主要步骤。请详细说明如何通过全基因组关联分析（GWAS）来识别与昆虫对某种杀虫剂抗性相关的候选基因或位点。三、昆虫的地理分布和种群结构与其害虫防治策略密切相关。请阐述如何利用生物信息学工具分析昆虫种群遗传结构数据（如单倍型、群体遗传参数），并解释这些分析结果如何为区域性害虫防治提供信息。四、简述宏基因组学（Metagenomics）技术在探究昆虫-微生物互作以及发掘昆虫源生物活性物质（用于害虫防治）方面的应用潜力。请举例说明其在其中一个方面的具体应用思路。五、在利用生物信息学方法进行昆虫功能基因研究时，基因表达数据分析扮演着重要角色。请比较RNA-Seq和芯片（Microarray）技术在昆虫基因表达分析中的主要区别，并说明如何利用生物信息学方法对RNA-Seq数据进行定量和差异表达分析。六、阐述生物信息学如何辅助制定综合害虫管理（IntegratedPestManagement,IPM）策略。请结合具体的例子，说明生物信息学工具或分析结果可以在IPM的哪些环节（如监测、预测、抗性监测、治理方案选择等）发挥作用。七、假设你获得了一组来自未知昆虫种群的基因组草图序列。请设计一个基于生物信息学的分析流程，以确定该昆虫的分类地位，并简述每个步骤中可能使用的主要工具或数据库。试卷答案一、生物信息学在昆虫分类学中的主要应用包括：序列比对、构建系统发育树、DNA条形码分析、基因组学研究等。这些方法基于分子数据，能够提供更客观、准确的物种鉴定和进化关系推断。DNA条形码技术通过选择特定基因片段（如COI、ITS等）的序列进行比对和BarcodeGap分析，实现物种的快速、准确鉴定。其局限性在于：可能存在BarcodeGap不明显或重叠的情况；无法区分所有近缘种；某些物种可能缺乏条形码数据；对环境DNA（eDNA）分析的应用和准确性仍需深入研究。二、研究昆虫抗药性的生物信息学步骤通常包括：1）收集目标昆虫对特定杀虫剂的抗性相关基因或基因组数据；2）进行序列比对，识别可能的抗性基因或位点变异（如氨基酸替换）；3）利用生物信息学工具（如SnpEff,VarScan等）进行变异检测和注释；4）进行全基因组关联分析（GWAS），将检测到的遗传变异与抗药性表型数据关联起来；5）筛选出与抗药性显著相关的候选基因或位点，并进行功能注释和验证。GWAS通过统计方法分析大量遗传标记与表型之间的关联，从而定位到影响抗药性的遗传变异区域。三、利用生物信息学分析昆虫种群遗传结构数据主要涉及：1）对采集到的昆虫样本进行基因组或特定基因片段测序；2）利用序列分析工具（如DnaSP,GenAlEx等）计算群体遗传参数（如核苷酸多样性、遗传距离、群体分化指数Fst等）；3）使用结构变异分析工具（如Structure,ADMIXTURE等）或系统发育树构建方法（如Neighbor-Joining,PhyML等）分析种群间的遗传差异和亲缘关系；4）可视化分析结果（如使用adegenet,R语言等绘制邦格图、主坐标分析图等）。分析结果可以揭示昆虫的种群历史、迁徙模式、隔离程度，为制定区域性防治策略（如抗性监测、防治区域划分、抗性基因管理）提供科学依据。四、宏基因组学技术在昆虫研究中的应用潜力巨大。它可以用于：1）探究昆虫肠道微生物群落的结构、功能和多样性，理解微生物在昆虫营养、免疫、代谢及与植物/害虫互作中的作用；2）从昆虫肠道微生物或昆虫自身基因组中发掘具有杀虫活性的蛋白质、酶或其他生物活性物质，为开发新型、环境友好型生物农药提供先导化合物或生物防治菌株。例如，通过宏基因组学筛选昆虫源杀虫蛋白，或分析肠道菌群对昆虫抗药性的影响，均能为害虫防治提供新的思路和工具。五、RNA-Seq和芯片技术在昆虫基因表达分析中的主要区别在于：1）数据类型：RNA-Seq产生高通量序列数据，可检测几乎所有转录本（包括非编码RNA），无需预先设计的探针；芯片技术则基于预先设计的探针，通常检测有限的、已知的基因或转录本。2）灵敏度和动态范围：RNA-Seq通常具有更高的灵敏度和更宽的动态范围，能检测到低丰度转录本和表达量的细微变化；芯片技术的灵敏度和动态范围相对有限，且易受探针设计影响。RNA-Seq数据的生物信息学分析流程通常包括：质量控制（如Trimmomatic）、序列比对（如HISAT2）、定量（如featureCounts,RSEM）、差异表达分析（如DESeq2,edgeR）和功能富集分析（如GO,KEGGpathwayanalysis）。六、生物信息学通过多种方式辅助制定IPM策略。例如：1）监测与预警：利用分子标记（如DNA条形码）快速鉴定害虫种类和种群密度，结合环境数据和预测模型，提前预警害虫大发生风险；2）抗性监测：通过基因组测序或GWAS分析，快速检测和监测害虫种群对杀虫剂的抗性基因频率变化，为调整药剂轮换和使用提供依据；3）治理方案选择：分析害虫与天敌的遗传关系和生态位，评估生物防治方法的可行性和效果；通过基因编辑或合成生物学技术，开发具有特定防治功能的昆虫或微生物。这些生物信息学工具和分析结果能够为IPM提供数据支撑和决策依据，提高防治效率和可持续性。七、分析未知昆虫种群的基因组草图序列，确定其分类地位的流程如下：1）序列质量控制与清理：使用工具（如Trimmomatic,FastP）去除低质量读段和接头序列；2）基因组拼接：利用拼接工具（如SPAdes,MEGAHIT）将高质量读段组装成较大的基因组或转录组草图；3）物种相似性搜索：将拼接得到的序列或其编码区序列与公共数据库（如NCBIGenBank,InsectGenomesDatabase）进行比对，使用BLAST等工具寻找相似性最高的参考序列；4）系统发育分析：选取合适的分子标记（如多个蛋白质编码基因或保