在生物信息學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)領(lǐng)域，樹狀圖（phylogenetic trees）是用來表示物種之間進(jìn)化關(guān)系的重要工具。ggtree是一個基于ggplot2的R包，專門用于可視化進(jìn)化樹，支持多種樹狀圖的格式，如Newick、Nexus、PhyloXML等，它不僅能繪制基礎(chǔ)的進(jìn)化樹，還能結(jié)合數(shù)據(jù)在樹上進(jìn)行注釋和高級自定義，是進(jìn)化分析中不可或缺的工具之一。

安裝ggtree

要安裝ggtree，你需要先確保已經(jīng)安裝了R和Bioconductor。ggtree作為Bioconductor的一部分，可以通過以下命令安裝：

if (!requireNamespace("BiocManager", quietly = TRUE))
    install.packages("BiocManager")

BiocManager::install("ggtree")

ggtree使用示例

接下來，我們將通過幾個不同的例子來展示ggtree的強(qiáng)大功能。

示例1：基礎(chǔ)進(jìn)化樹繪制

首先，我們需要一個進(jìn)化樹的數(shù)據(jù)。這里，我們使用ggtree自帶的一個示例數(shù)據(jù)集。

library(ggtree)
tree <- rtree(10) # 生成一個包含10個物種的隨機(jī)進(jìn)化樹
ggtree(tree) + geom_tiplab() # 繪制進(jìn)化樹，并在末端添加物種標(biāo)簽

[圖片上傳中...(image.png-1a95f8-1712712160088-0)]

這段代碼會生成一個基礎(chǔ)的進(jìn)化樹，每個物種在樹的末端都有標(biāo)簽。

示例2：進(jìn)化樹上添加注釋

ggtree支持在進(jìn)化樹上添加多種注釋，比如高亮某些分支、添加圖形標(biāo)記等。

ggtree(tree) +
  geom_tiplab() +
  geom_highlight(node=5, fill="lightblue") + # 高亮顯示編號為5的節(jié)點
  geom_nodelab(aes(label=node), nudge_x=0.5) # 在節(jié)點旁添加節(jié)點編號

這段代碼在基礎(chǔ)進(jìn)化樹的基礎(chǔ)上，高亮了編號為5的節(jié)點，并在每個節(jié)點旁邊添加了節(jié)點編號。

示例3：繪制圈狀圖

library("ggplot2")
library("ggtree")
library("colorspace")
treFile="input.tre"           #進(jìn)化樹文件
groupFile="group.txt"         #樹枝分類
outFile="tree.pdf"            #輸出

#讀取屬性文件，把屬性信息保存到list
cls=list()
rt=read.table(groupFile,sep="\t",header=T)
for(i in 1:nrow(rt)){
    otu=as.character(rt[i,1])
    phylum=as.character(rt[i,2])
    cls[[phylum]]=c(cls[[phylum]], otu)
}
phylumNames=names(cls)
phylumNum=length(phylumNames)

#讀取進(jìn)化樹文件，和屬性文件合并
tree=read.tree(treFile)
tree=groupOTU(tree, cls)

#繪制
pdf(file=outFile, width=8, height=8)
ggtree(tree, 
       layout="circular", 
       ladderize = F, 
       branch.length="none", 
       aes(color=group)) + 
       scale_color_manual(values=c(rainbow_hcl(phylumNum+1)),breaks=phylumNames, labels=phylumNames ) + 
       theme(legend.position="right") + 
       geom_text(aes(label=paste("                ",label,sep=""), 
       angle=angle+45), 
       size=2)
dev.off()

1. 加載所需的包：ggplot2、ggtree和colorspace。

2. 定義變量：

   • treFile：進(jìn)化樹文件的路徑。
   • groupFile：樹枝分類的屬性文件路徑。
   • outFile：輸出文件的路徑。

3. 讀取屬性文件，并將屬性信息保存到cls列表中。

   • cls：一個列表，以屬性值（例如“phylum”）作為鍵，對應(yīng)的樣本編號列表作為值。

4. 讀取進(jìn)化樹文件，并根據(jù)屬性文件合并屬性信息到樹中。

   • tree：從進(jìn)化樹文件中讀取的進(jìn)化樹對象。
   • groupOTU：自定義函數(shù)，用于將屬性信息合并到進(jìn)化樹中的葉節(jié)點（OTU）。

5. 繪制進(jìn)化樹：

   • 使用ggtree函數(shù)繪制樹，設(shè)置布局為圓形（layout="circular"）。
   • ladderize = F：不對樹進(jìn)行階梯化處理。
   • branch.length="none"：不顯示分支長度。
   • 使用aes(color=group)對樹的分支進(jìn)行著色，著色的屬性為group。

6. 設(shè)置顏色：

   • 使用scale_color_manual手動設(shè)置顏色映射，使用rainbow_hcl函數(shù)生成不同類別的顏色，類別數(shù)為phylumNum+1（屬性值的數(shù)量加一，為了保證顏色不重復(fù)）。
   • breaks=phylumNames, labels=phylumNames：設(shè)置顏色映射的標(biāo)簽，即屬性值的名稱。

7. 設(shè)置圖例位置為右側(cè)（theme(legend.position="right")）。

8. 使用geom_text添加文本標(biāo)簽，標(biāo)簽內(nèi)容為label，并根據(jù)angle+45設(shè)置標(biāo)簽的角度偏移，size=2設(shè)置標(biāo)簽的大小。

9. 最后，將繪制的圖保存為PDF文件（pdf(file=outFile, width=8, height=8)），并關(guān)閉繪圖設(shè)備（dev.off()）。