畫出菌的族譜 - 菌與菌之間的距離

還記得 [Day 01] 放了一張酷酷的親緣關係樹嗎?
今天要來繪製它!

Rooted Phylogenetic Tree
做生物資訊成就感之一就是看著一張張美美的圖產出。

親緣關係樹是藉由序列與序列之間的比對 (alignment) 得出，
利用分子生物學角度繪製物種與物種之間的「距離」，
蠻推薦從未手繪一棵「樹」的同學，
可以修習關於序列比對的課程(通常出沒在生物資訊學)，
在檢視結果時會更有概念。

• 有根樹 (Rooted Tree) 與無根樹 (Unrooted Tree)

  兩者使用時機依想解決的研究問題而定，
  有根樹因為所有序列的上游皆源自於一點，
  具有「追本溯源」的特性，帶有演化的方向性，
  適合應用在觀察演化的過程與關係。
  

  Rooted Phylogenetic Tree，原來是迷宮阿，還以為是演化樹。

  無根樹則無定義出演化的方向與路徑，
  著重在分類群之間的關係(relationships among the taxa)，
  適合樣本內菌相差異極大(multispecies coalescent phylogenetic framework)的觀察。
  (Kinene, Tonny, et al., 2016)

  

  Unrooted Phylogenetic Tree

• 樹的製作

  進入 qiime2-2022.8 環境後輸入 :

  qiime phylogeny align-to-tree-mafft-fasttree \
    --i-sequences rep-seqs-dada2-240.qza \
    --o-alignment aligned-rep-seqs-240.qza \
    --o-masked-alignment masked-aligned-rep-seqs.qza \
    --o-tree unrooted-tree.qza \
    --o-rooted-tree rooted-tree.qza
  

  --o-masked-alignment 是在產出樹的過程中，需遮罩(mask)一些高度變異的序列避免造成過多噪點。

  完成後會顯示 :

  '
  Saved FeatureData[AlignedSequence] to: aligned-rep-seqs-240.qza
  Saved FeatureData[AlignedSequence] to: masked-aligned-rep-seqs.qza
  Saved Phylogeny[Unrooted] to: unrooted-tree.qza
  Saved Phylogeny[Rooted] to: rooted-tree.qza
  '
  

  完成後主要會使用到aligned-rep-seqs-240.qza、unrooted-tree.qza 及 unrooted-tree.qza

• 樹的視覺化

  QIIME2 目前尚未提供樹的視覺化於 VIEW，
  於是這時候 iTOL 視覺化樹樹網就出場了! (?
  因為他的功能過於強大，(這裡可以觀賞世界各地強者的美化樹樹結果)，
  這邊僅介紹常見功能~

  • 需要的檔案(先下載到本機端) :
    taxonomy.qza : [Day 11] 分類器分析後的結果檔
    table-dada2-240.qza : [Day 08] 品質管制後的結果檔 (終於要用上了)
    aligned-rep-seqs-240.qza : [Day 13] 剛剛熱騰騰產出來的
    unrooted-tree.qza : [Day 13] 剛剛熱騰騰產出來的
    rooted-tree.qza : [Day 13] 剛剛熱騰騰產出來的

  愉快前往 iTOL 上傳檔案區，
  上傳 rooted-tree.qza 或 unrooted-tree.qza 檔案 :
  (這邊以 rooted-tree.qza 為例)
  

  
  一棵圓形的樹就這麼長出來了，如此突然，
  仔細看會發現都是以特徵ID(Feature ID)註釋
  (差不多長這樣 311387e184d203ce7d2b0)，
  但人類根本看不懂，於是我們補上傳一些註釋資料(Annoation)，
  在右側的 Datasets 上傳註釋資料 taxonomy.qza:
  

  再上傳其他註釋資料 (上傳按鈕躲到最下面)
  aligned-rep-seqs-240.qza、table-dada2-240.qza :
  

  好了，這下已經非常繽紛了 :

  • taxonomy.qza : 將特徵ID(Feature ID) 置換為物種名稱，
    以及顯示信賴分數用長條圖表示
  • aligned-rep-seqs-240.qza : 顯示比對 (alignment) 中 mer 的差異
    (只能在 Rectangular 顯示)
  • table-dada2-240.qza : 顯示不同樣本的對該序列的條數，以長條圖表示

  iTOL 還提供三種呈現方式 Circular、Rectangular、Unrooted ，在右側控制板都能切換，
  選項功能很多，試著切換來切換去很好玩，而登入後可以保存之前上傳的資料，
  就能跑出以下漂漂的圖啦~
  

  Circular / taxonomy.qza OFF / table-dada2-240.qza ON / Invert tree : Yes

  

  Rectangular / taxonomy.qza : OFF / table-dada2-240.qza : ON / Invert tree : Yes

  

  Rectangular / taxonomy.qza : ON / aligned-rep-seqs-240.qza : ON / Invert tree : NO

  

  Circular / taxonomy.qza : OFF / table-dada2-240.qza : ON / Invert tree : Yes

  實務上，我會拿來觀察極為相似序列的比對關係(aligned-rep-seqs-240.qza)、
  未知物種的差異(taxonomy.qza)，
  還有豐富度的比較(table-dada2-240.qza)。

本篇使用到的檔案 :
rep-seqs-dada2-240.qza、taxonomy.qza、table-dada2-240.qza、aligned-rep-seqs-240.qza、masked-aligned-rep-seqs.qza、unrooted-tree.qza、rooted-tree.qza

下回是繪製熱圖 (Heat map) !