組內多樣性的視覺化呈現方式

Alpha Diversity 強調的是組內的量化數據，
接下來就來看看 Alpha Diversity 呈現的兩種常見圖表，
稀疏曲線(rarefaction curve)、箱形圖 (Box plot) :

• 稀疏曲線 (rarefaction curve)

  檔案 : alpha-rarefaction.qzv
  稀疏曲線用於生態學中時，
  可以確認樣本中的序列數是否足夠代表整個樣本，
  也可以用來確認這個樣本採樣時是否來自同一批群體 (有無汙染或是來自兩個群體)。
  (Whether a group of samples are from the same community)

  簡單來說，想像在同一樣本中多次隨機抽樣，
  每次抽樣的序列數逐漸增加，並觀察每次抽樣所含有的OTU數量，
  隨著抽樣序列數變多，OTU 數量逐漸飽和，
  即可以推論樣本中的序列數足夠代表整個樣本。

  alpha-rarefaction.qzv
  調整到 Metric : observed_features 及 Index 組 :
  

  橫軸為抽樣的序列數，範圍為0~55000
  ([Day 16]，設定--p-max-depth 為 50131 的緣故)。
  縱軸為觀察到的 OTU 數量(observed_features)，
  屬於物種豐富度指數 (Species richness)，
  可以發現在約莫6000條的位置，所有樣本都趨於平緩。
  推論樣本中的序列數足夠代表整個樣本。
  若發現你的樣本長這樣一直往上跑停不下來，無法收斂 (紅色)，
  就要特別注意這個樣本的豐富度是否被低估 :
  
  Reference : cd-genomics.com

• 箱形圖 (Box plot)

  也可以用箱形圖方式呈現樣本多樣性情況，
  此一方式是可以將各組別放在一起比較，
  並帶有檢定統計。

  • 資料視覺化輸出 - observed_features_vector

    方便與稀疏曲線比較，同樣使用 observed_features

    qiime diversity alpha-group-significance \
      --i-alpha-diversity core-metrics-results/observed_features_vector.qza \
      --m-metadata-file sample-metadata.tsv \
      --o-visualization observed_features_vector.qzv
    

  • 放到 QIIME2 VIEW 檢視結果圖
    

    橫軸是女性、男性，縱軸則一樣是 observed_features，
    無論是稀疏曲線還是箱形圖都可以根據不同多樣性指數繪製，
    我們可以仔細看，女性中最小值是不是與稀疏曲線CRC_B相同。

計算多樣性的統計方式

上述的圖表方式其 縱軸(統計方式) 都是可以替換的，
[Day 16] 有提到輸出了一坨的檔案，不過有些是明天會說到的 Beta diversity，
下面列出各類統計方式供區分與參考(照字母順序) :

雖然看起來很複雜，但其實可以將 Alpha Diversity 統計分為下列三類 :

• 物種豐富度指數 (Species richness) - 物種數量
  • observed_features : 組內觀察到的 OTU 數量
• 物種均勻度指數 (Species evenness) - 群集(community)中物種數量的分配情況
  • evenness
• 物種多樣性指數 (Diversity index) - 綜合豐富度與均勻度的指數
  • shannon
  • faith_pd (親緣多樣性)

舉例 : 物種多樣性指數 faith_pd (Faith Phylogenetic Diversity, PD)

上述指數其實網路上蠻好搜尋到的，我們來看看一個其中一個酷酷的 faith_pd，
Faith Phylogenetic Diversity 是根據親緣關係樹 (branch-based) 的物種多樣性指數，
如下圖，若兩群集間物種種類相同 (皆為4種)、物種數量的分配相同 (皆各佔25%)，
無論是豐富度、均勻度，甚至是 shannon 多樣性指數都會相同，
但仔細看可以發現，
Community A 樹、蝴蝶、花、狐狸彼此親緣差異大，
Community B 僅有樹與狐狸的親緣差異較大，
因此 Community A 物種間親緣關係差距明顯較 Community B 大 :

Icon : iconpacks.net

為了能夠呈現這樣子的差異，Faith Phylogenetic Diversity 以關係樹節點的量化方式，
示意圖中左圖彼此的親緣關係較遠， 右圖則其中三個物種較為接近 :

僅示意圖，非真實情況
Reference : 邱春火 清華大學統計研究所、SAM' NOTE

因此，將每個節點數值相加後，PD : A > B，
我們將這個概念套用在菌相中，
也可以得知組內的菌相親緣關係的情況。

本篇使用到的輸入/輸出檔案 :
Input : core-metrics-results/observed_features_vector.qza、sample-metadata.tsv
Output: observed_features_vector.qzv、alpha-rarefaction.qzv、core-metrics-results (folder)

下回是 Beta diversity !