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“花式”微生物群落堆叠图,你见过几种?

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帝王蝶

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发表于 2020.7.3 09:36:32 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 基迪奥-Jt桃 于 2020.7.3 09:36 编辑

堆叠图简介

在各类微生物群落研究文章中,堆叠图可以说是一个图形“常青树”,频繁出现在文章结果展示部分的开头位置。堆叠图之所以能在文章中拥有这么高的曝光度,原因在于堆叠图非常直观、简洁地展示样本的群落物种组成组成信息

通常堆叠图横轴为各样本名称信息,纵轴为物种的相对丰度,每个样本所有物种组成一个堆叠起来的柱子,柱子中通过颜色区分不同物种(如图1)。例如在梯度处理或是不同时期的样本展示中,我们就可以通过堆叠图一目了然地展示优势物种的变化情况或是某些病原微生物随时间的丰度增长状况。

图1 文章中常见的堆叠图[1]

事实上,堆叠图在微生物群落研究中不仅出现于上文提到的物种组成分析中,还出现于β多样性以及群落功能分析中。在形态上,也不仅是柱状堆叠的形式,有时它也会以面积堆叠的形式出现。堆叠图的坐标轴也并非固定不变的100%,有时也能以特定范围进行呈现。

应用于不同分析中的堆叠图

提到群落研究中的堆叠图,大家总是能想到它在物种组成分析中的应用。事实上,堆叠图还能够与β多样性分析的UPGMA聚类树进行结合,基于不同的样本距离矩阵(如bray-curtis、unifrac等类型距离) 进行相似性聚类,将组成结构相似的样本聚类到同一个小的分支,将结构组成差异大的样本聚类到不同的分支中。在聚类树的基础上,结合堆叠图,用堆叠图具体展示相对丰度相近与相异的物种。这类型组合图提高了信息密度,用一张图展示了样本相似性关系与样本物种组成,在应用范围上得到了拓展,如在不同处理下观察处理效果对于群落结构的整体影响以及对个别关注物种的影响情况,就需要这类型的组合图进行展示。

图2 文章中与层级聚类树相结合的物种堆叠图[2]

图3 文章中与层级聚类树相结合的物种堆叠图[3]

除了结合聚类树用于展示各样本不同分类水平下的物种的组成外,堆叠图还可以用于展示样本微生物群落的功能组成信息。群落功能预测近年来兴起,功能堆叠图也在文章中频频出现。

主要有两方面原因:1)宏基因组开始普及使用,16s+宏基因组是目前一种互相验证、互相补充的可靠组学贯穿策略。通过16s的大样本筛选出目标差异样本,再针对目标样本进行宏基因组测序,找到关键差异基因进行功能富集分析。群落功能预测就是两者连接的一个桥梁,群落功能预测可以帮助我们初步判断样本间潜在差异的功能,缩小宏基因组的研究范围。2)功能预测软件不断迭代,预测准确性与过往相比有了非常高的提升。(可参考文章:《picrust2——更强大的菌群功能预测工具》

功能堆叠图与物种组成堆叠图类似,展示样本内各功能的丰度占比情况,可以通过堆叠图掌握样本总体的功能组成,优势功能类型以及各样本主要功能的差异情况。至于后续需要量化分析样本间具体功能的差异就需要借助热图以及统计检验等手段进行深入地功能挖掘。

图4 群落功能预测堆叠图[4]

不同类型堆叠图

堆叠图是一种有着一定扩展能力的图形,不局限于简单的柱状堆叠的形式,可以结合统计检验的结果,标注出样本间存在统计学显著性差异的物种信息。这种图形比较适合用于目标物种是堆叠图中的优势物种,在较高分类层级(门、纲等)进行比较。

图5 结合统计检验结果的物种堆叠图[5]

需要展示的样本比较多且样本间的处理存在连续关系时(如药物处理后不同时间段肠道样本、不同浓度梯度肥料处理的土壤样本),由于样本量较大,以传统柱状堆叠图的形式进行展示不直观,样本物种组成凌乱。这时可以考虑采用堆叠面积图的形式进行展示,将原先样本间独立的样本物种组成模拟成连续的变化曲线,帮助我们更直观地观察连续变化下样本的物种丰度变化趋势。

图6 文章中的堆叠面积图[6]

小结

1.堆叠图是一种用于展示样本群落结构、功能结构的基础图形。
2.堆叠图可结合基因β多样性距离矩阵的UPGMA聚类树展示样本相似性,也可以结合统计检验结果展示组间/样本间存在显著差异的物种。
3.针对存在连续性变化(时间变化、梯度处理变化)的大样本量展示时,可采用面积堆叠的方式展示连续变化对群落物种的影响情况。

工具

堆叠图的绘制方法很多,但能够将微生物群落测序数据完整分析的工具却很少。基迪奥omicsmart在线分析云平台,上传测序下机的原始数据即可完成一整套包括物种组成、多样性、功能预测等几十项分析点的标准流程分析,可根据个人需求随时调整图形配色、字体、形状等各类型参数。

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图7 omicsmart平台 物种堆叠图

可自由调整各类参数,根据输入物种丰度排名进行堆叠图展示。

今天的分享就到这里啦。

参考文献:
[1] Lv H, Pian R, Xing Y, et al. Effects of citric acid on fermentation characteristics and bacterial diversity of Amomum villosum silage. Bioresour Technol. 2020;307:123290.
[2] Meeker SM, Mears KS, Sangwan N, et al. CFTR dysregulation drives active selection of the gut microbiome. PLoS Pathog. 2020;16(1):e1008251. Published 2020 Jan 21. doi:10.1371/journal.ppat.1008251
[3] Zhang J, Zhao Y, Ren D, et al. Effect of okra fruit powder supplementation on metabolic syndrome and gut microbiota diversity in high fat diet-induced obese mice.[J]. Food Research International, 2020.
[4] Bost A, Martinson V G, Franzenburg S, et al. Functional variation in the gut microbiome of wild Drosophila populations[J]. Molecular Ecology, 2018, 27(13): 2834-2845.
[5] Ding N, Zhang X, Zhang X D, et al. Impairment of spermatogenesis and sperm motility by the high-fat diet-induced dysbiosis of gut microbes.[J]. Gut, 2020.[6] Zhang J, Zhang N, Liu YX, et al. Root microbiota shift in rice correlates with resident time in the field and developmental stage. Sci China Life Sci. 2018;61(6):613-621. doi:10.1007/s11427-018-9284-4

本文作者:基迪奥-阿拉雷
               

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草履虫

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发表于 2020.7.6 09:32:47 | 显示全部楼层
这个物种堆叠图的软件在哪呢,能说明下在平台的哪个位置么
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钵水母

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发表于 2020.7.16 17:38:52 | 显示全部楼层
谢谢老师!
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