導讀

非加權組平均法(unweighted pair-group method with arithmetic means, UPGMA或average linkage)是一種較常用的聚類分析方法，可用于分析分類問題，也常被用于微生物多樣性研究。下面介紹用R語言中的UPGMA函數(shù)分析微生物多樣性數(shù)據(jù)和結(jié)果可視化的方法，內(nèi)容如下：1）模擬(樣品、豐度)矩陣數(shù)據(jù)；2）計算bray curtis相異指數(shù)和UPGMA聚類；3）繪制樹狀圖。

1 模擬(樣品、豐度)矩陣數(shù)據(jù)

set.seed(1995)  
# 隨機種子

data=matrix(abs(round(rnorm(200, mean=1000, sd=500))), 20, 10)  
# 隨機正整數(shù)，20行，20列

colnames(data)=paste("Species", 1:10, sep=".")  
# 列名-細菌

rownames(data)=paste("Sample", 1:20, sep=".")  
# 行名-樣品

data_norm=data
for(i in 1:20){
    sample_sum=apply(data, 1, sum)
    for(j in 1:10){
        data_norm[i,j]=data[i,j]/sample_sum[i]
    }
}
# 標準化

data_norm
# 模擬完成的標準化矩陣數(shù)據(jù)如下：

               Species.1   Species.2  Species.3  Species.4 ... Species.10
    Sample.1  0.14032835 0.076767862 0.12225993 0.08713198 
    Sample.2  0.08434712 0.116281427 0.14405921 0.12976480 
    Sample.3  0.09997205 0.026460449 0.11571788 0.10006522 
    Sample.4  0.10753751 0.102236996 0.03449825 0.12766149 
    ...
    Sample.20

2 計算bray curtis相異指數(shù)和UPGMA聚類

用R語言vegan包中的vegdist函數(shù)分析菌群豐度數(shù)據(jù)，計算樣品之間的bray curtis相異指數(shù)（Dissimilarity index），接著用phangorn包中的upgma函數(shù)進行樣品聚類分析。vegdist函數(shù)中可供選擇的dissimilarity算法有很多，如："manhattan", "euclidean", "canberra", "bray", "kulczynski", "jaccard", "gower", "altGower", "morisita", "horn", "mountford", "raup" , "binomial", "chao", "cao" or "mahalanobis"，其中"bray"即bray curtis在微生物多樣性研究中最為常用，故用之。

library("vegan")
library("phangorn")
up=upgma(vegdist(data_norm, method="bray"))
# 使用bray curtis dissimilarity算法和upgma聚類算法

3 繪制樹狀圖

plot畫圖函數(shù)中可供選擇的樹狀圖類型有：“phylogram”, “cladogram”, “fan”, “unrooted”, “radial”。利用par函數(shù)mfrow參數(shù)可將多張圖片組合到一起，mai參數(shù)可調(diào)整每張圖片的大?。ň噙呴L度）。

pdf('upgma.pdf')

opar=par(no.readonly=TRUE)
# 生成圖形參數(shù)列表
par(mfrow=c(3, 2), col.main="red", family="serif")
# par設置：按行填充,3行，2列，標題顏色，字體（羅馬）
par(mai=c(0.2, 0.2, 0.2, 0.2))
# par設置：每個圖形距邊距離（英寸）

plot(up, main="by default")
plot(up, type="phylogram", main="phylogram")  # 默認
plot(up, type="cladogram", main="cladogram")
plot(up, type="fan", main="fan")
plot(up, type="unrooted", main="unrooted")
plot(up, type="radial", main="radial")

par(opar)
# 關閉par
dev.off()
# 關閉畫板

打開結(jié)果upgma.pdf可得如下結(jié)果：

圖片.png

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