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干货|扩增子-物种群落分析

来源:admin    发布时间:2020-09-15   阅读数:89

一、物种群落结构分析

1、共有及特有OTU统计分析

1)OTU数目统计

基于OTU_table统计No. of OT Us,将OTU序列数大于0的全部记为1,并对每列数求和,即为每个样本的OTU总数。

表1 样品序列序列数及OTU数统计

样品序列序列数及OTU数统计表 

2)Venn 图

统计OTUs 在样品和分组中出现的情况绘制韦恩图。由于不能排除因样本间测序深度差异而引入的误差,该分析是基于抽平后OTU_table 统计的结果。

OTU venn图
图1  OTU venn图


Venn 图不同的颜色代表不同的样本/分组,重叠区域代表样本/分组共有的 OTU数目,非重叠区域为样本/分组特有的OTU数目(一般2-5个样品/分组)。花瓣图则只能区分每个样品/分组特有和所有样品/分组中共有的OTU数目,适用于样品较多的情况。


2、群落组成柱状图

统计OTU_table中门、纲、目、科、属5个分类水平序列信息,并计算各分类群的相对丰度,同时选取相对丰度在1%(默认值)以上的分类群(在任一样品中相对丰度大于1%)绘制相对丰度分布图。

表2 物种层级相对丰度统计表

物种相对丰度柱状图



图2 物种相对丰度柱状图


横坐标为样品/分组名,纵坐标为相对丰度;堆叠柱为各分类水平相对丰度大于1%的分类群,其它相对丰度低于1%及注释为unclassifed和unidentifed的则归为others。


3、Ternaryplot

为了寻找各分类水平(门、纲、目、科、属)下,三个/组样本之间优势物种的差异,选取三个/组样品在各分类水平上平均丰度排名前10的物种,生成ternaryplot(三元相图),以便直观查看三组样本在不同分类水平上,优势物种的差异。


三元相图

图3 三元相图


三元相图三个顶点代表三个样本/分组,圆圈代表分类群,圆圈大小和相对丰度成正比(根据分类群在3个样品/分组中相对丰度平均值进行排序,从10-1丰度由大到小,对应的由大到小的圆圈),圆圈离哪一顶点越接近,表示此物种在这个样品/分组中含量越高。通过三元相图,可以找出不同环境中的核心微生物。


4、物种丰度聚类分析

可用于表示一个/多个样品/分组在某一分类水平(门、纲、目、科、属、种、OTU)上的群落组成和丰度。丰度用颜色深浅来表征,并可根据丰度和组成进行聚类,也可按照特定的顺序进行横纵坐标的排列。作图数据可选取关注的物种(默认丰度排名较高的 30 个物种,物种数未到 30 个的则选取全部物种)。

物种丰度聚类分析Heatmap图
图4 物种丰度聚类分析Heatmap


横向表示样品/分组,纵向为分类群;左侧的聚类树为物种聚类树,上方的聚类树为样品聚类树,体现样品/分组间群落组成相似性;中间方块对应的值为每一行物种相对丰度经过标准化处理后得到的Z值,即一个样品在某个分类上的Z值为样品在该分类上的相对丰度和所有样品在该分类的平均相对丰度的差除以所有样品在该分类上的标准差所得到的值(若只有两个样品、分组,则对相对丰度取自然对数进行聚类图分析,样品/分组内和之间可互相比较); 方块颜色越红,说明该门的丰度在样品间相对越高,即只能进行样品/分组间比较,不能进行样品/分组内比较(Z值计算方法不止一种)。


二、OTU系统进化分析

1、单个样品OTU系统进化分析

基于样本内的 OTU 的物种系统进化关系及相对丰度信息,使用 KRONA 软件对单个样本的物种注释结果进行可视化展示,可以很直观的获得单个样本内的OTU 的物种分布信息。

单个样本OTU注释圈图
图5 单个样本OTU注释圈图


圈图从内到外依次代表不同的分类级别(界-属),扇形的大小代表不同分类等级上物种的相对丰度。

为了快速直观的挖掘研究样品中的物种组成及丰度信息,我们还使用 GraPhlAn (Graphical Phylogenetic Analysis)软件得到了单个样本 OTU注释圈图。

GraPhlAn的单个样本OTU注释圈图
图6 GraPhlAn的单个样本OTU注释圈图


圈图从内到外依次代表不同的分类级别(界-属),圆圈的大小和物种的丰度成正比,不同的颜色代表不同的门,丰度排名前40的物种用实心圆圈表示。


2、所有样品OTU系统进化分析

选取总体相对丰度排在前50且有属分类信息的OTU代表性序列,构建系统发育树,同时可以结合OTU相对丰度及物种注释的可信度信息进行可视化展示。

top 50属OTU进化树
图7 top 50属OTU进化树


3、样品与物种关系Circos图

样本与物种关系图是一种描述样本与物种之间对应关系的可视化圈图,该图不仅反映了每个样本/分组的优势物种组成比例,同时也反映了各优势物种在不同样本/分组的分布比例。

干货|扩增子-物种群落分析


4、属水平物种进化树

为了进一步研究属水平物种的系统进化关系,通过多序列比对得到top100属的代表序列的系统发生关系,并结合每个属的相对丰度进行整合展示,由此可见这些属的系统进化关系。

属水平进化图
图8 属水平进化图


内侧的一圈是属水平物种的代表序列构建的系统发育树,分支的颜色表示其对应的门,每种颜色代表一个门,外侧的圈为每个属在每个分组内的相对丰度,相对丰度的颜色表示不同分组。




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