TomatoSCI分析日记—主坐标分析(PCoA)

        今天要说的是PCoA (Principal Coordinates Analysis),即主坐标分析,也是一种降维分析方法。与t-SNE类似,可以简单地看为是一种聚类,但其更偏向于生态领域的应用,用于探究样品之间的物种组成相似性。好了,它与t-SNE的差异我们文末再说,我们先看一下核心思路和实例。


01 PCoA的核心思想

        PCoA是通过比较样本之间的相似性来帮助我们更好地理解数据。想象一下,如果我们有一组样本,每个样本都有自己的特点,比如不同的物种组成。我们基于这些数据可以计算出每个样本之间的“距离”(比如欧氏距离或Bray-Curtis距离),这种距离可以反映它们有多相似或多不同。

        然后,PCoA会把这些“距离”转化为一个坐标系中的点。这个坐标系就像一个地图,每个点代表一个样本。如果两个样本之间的距离很近,这表示它们很相似;反之,如果它们在地图上距离很远,说明它们差异较大。这样,我们就能直观地看到哪些样本更相似,哪些样本有显著差异。


02 PCoA案例

        图1A是我们拿到手的一份数据,代表的是每一个站点的不同物种的个数,图1B是站位的一个归属,我们可以把不同分组看作不同区域。当然如果站位没有归属的话也是可以的,那就相当于探索哪些站点的组成是相似的。

        在结果的可视化方面,基于本数据站位有分组的情况,我们需要看两项内容:PCoA1和PCoA2百分比之和(上限为100%,越高越好,表示的是数据变异程度);同组站位在同一置信区间(圆圈)内,证明组成类似。

        而结果往往分上(图2)、中(图3)、下(图4)三等。上等是百分比够高、点位分得开;中等是百分比稍低,但点位也分得开;下等是百分比低、点位分不开。


03 PCoA与t-SNE的差异

  1. PCoA通常用与生态分析,比较样品/站位相似性;t-SNE则更像是一种分类方法,将一堆数据按照特征进行分类。
  2. PCoA需要参考轴的方差贡献;而t-SNE则无该指标,只关注聚类情况。

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### 如何在PCoA分析中应用多元方差分析进行生物信息学数据分析 #### 坐标分析PCoA坐标分析(Principal Coordinates Analysis, PCoA)是一种用于降维的技术,能够将复杂的距离矩阵转换成低维度的空间表示形式。通过这种方式可以直观地展示样本之间的相似性和差异性[^1]。 对于生物信息学数据而言,在执行PCoA之前通常会先计算样品间的相异度或距离矩阵,比如利用Bray-Curtis dissimilarity或其他适用的距离测度来衡量微生物群落结构上的变化[^5]。 ```r library(vegan) # 构建距离矩阵 dist_matrix <- vegdist(data_matrix, method="bray") # 执行PCoA pcoa_result <- cmdscale(dist_matrix, k=2, eig=TRUE) ``` 这段R代码展示了如何构建一个基于Bray-Curtis不相似性的距离矩阵并对其进行二维的PCoA变换。 #### 多元方差分析(PERMANOVA) 当希望评估不同因素对整体微生物组成的贡献时,则可采用多元方差分析(Permutational Multivariate ANalysis Of VAriance, PERMANOVA)。这种方法允许测试两个及以上分组间是否存在显著差异,并能控制假阳性率。它特别适合用来解析复杂生态系统内的多样本比较问题。 下面是一个简单的例子说明怎样结合`adonis()`函数来进行PERMANOVA: ```r library(vegan) # 设定因子变量 group_factor <- factor(c(rep("Control", nrow(control_data)), rep("Treatment", nrow(treatment_data)))) # 合并原始数据框 combined_data <- rbind(control_data, treatment_data) # 创建距离矩阵 distance_matrix <- vegdist(combined_data, method='bray') # 应用PERMANOVA permanova_results <- adonis(distance_matrix ~ group_factor, permutations = 999) print(permanova_results) ``` 上述脚本首先定义了实验设计中的分类变量(即对照组和处理组),接着组合所有观测值形成一个新的表格;之后再次生成距离矩阵作为输入给`adonis()`函数完成最终的统计检验过程。 #### 结合PCoA与PERMANOVA的结果解读 一旦完成了PCoA绘图以及PERMANOVA检验后,就可以进一步探讨各组之间分布模式及其统计意义。如果发现某些特定条件下微生物构成发生了明显改变,那么这可能暗示着该条件下的环境压力或者干预措施确实影响到了宿体内菌群的状态。此时可以通过绘制带有置信椭圆的散点图等方式辅助理解这些趋势[^3]。 ```python import seaborn as sns from sklearn.decomposition import PCA import matplotlib.pyplot as plt import pandas as pd def plot_pcoa_with_ellipse(pcoa_df, metadata_series): fig, ax = plt.subplots() # 绘制PCA散点图 scatterplot = sns.scatterplot( x=pcoa_df.iloc[:,0], y=pcoa_df.iloc[:,1], hue=metadata_series, palette='Set2', s=70, alpha=.8, edgecolor='black' ) handles, labels = scatterplot.get_legend_handles_labels() # 添加置信区间椭圆形区域 for label in set(metadata_series): subset = pcoa_df.loc[metadata_series==label,:] covar = np.cov(subset.values.T) lambda_, v = np.linalg.eig(covar) theta = np.degrees(np.arctan2(*v[::-1])) width, height = 2 * np.sqrt(lambda_) ellip = Ellipse(xy=(subset.mean().values), width=width*2, height=height*2, angle=theta, fill=False, linestyle="--", color=sns.color_palette('Set2')[list(set(labels)).index(label)]) ax.add_artist(ellip) ax.legend(handles, labels, loc='best') plt.show() ``` 此Python片段提供了绘制带有多边形轮廓线圈覆盖层的PCoA图表的功能,有助于更加清晰地区分各个类别之间的界限。
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