R绘制稀释曲线

本文介绍了如何使用R语言绘制稀释曲线,以研究样本的alpha多样性随抽平深度的变化。稀释曲线是生态学中评估物种多样性的方法,通过随机抽取序列来预测不同测序深度下的物种总数和相对丰度。当曲线趋于平稳,说明测序数据量合理,否则表明仍不饱和。此外,还提到了利用vegan包的rarecurve()函数绘制Richness指数曲线。

alpha多样性指数的大小是与使用的ASV/OTU表的抽平深度有关,为探究样本alpha多样性随抽平深度的变化曲线,可绘制稀释曲线(rarefaction curve),这是生态领域的一种常用方法。
稀释曲线通过从每个样本中随机抽取一定数量的序列(即在不超过现有样本测序量的某个深度下进行重新抽样),可以预测在一系列给定的测序深度下,所可能包含的物种总数及其中每个物种的相对丰度。因此,通过绘制稀释曲线,还可以在相同测序深度下,通过比较样本中ASV/OTU数的多少,从而在一定程度上衡量每个样本的多样性高低。

Richness指数(物种丰富度指数)的Alpha多样性曲线在很多情况下等同于稀释曲线(rarefaction curve)。下面小编开始绘制简单的稀释曲线和Richness指数曲线。

数据文件长这样:
在这里插入图片描述
1.调用相关R包,读取otu物种丰度表;

library(vegan)	#用于计算 Shannon 熵指数、Simpson 指数、Chao1 指数、ACE 指数等,同时用于抽样
library(picante)	#用于计算 PD_whole_tree,若不计算它就无需加载。
library(ggplot2)	#用于 ggplot2 作图
library(doBy) 	#用于分组统计
library(ggalt)	#用于绘制拟合曲线

otu <- read.delim('feature-table_taxonomy.txt', row.names = 1, sep = '\t', stringsAsFactors = FALSE, check.names = FALSE)
otu=otu[,-dim(otu)[2]]
otu <- t(otu)

2.定义函数;

#计算多种 Alpha 多样性指数,结果返回至向量
alpha_index <- function(x, method = 'richness', tree = NULL, base = exp(1)) {
   
   
  if (method == 'richness') result <- rowSums(x > 0)    #丰富度指数
  else if (method == 'chao1') result <- estimateR(x)[3, ]    #Chao1 指数
  
### 绘制物种级别稀释曲线的实现方法 在微生物组研究中,使用物种级别的丰度数据绘制稀释曲线是评估测序深度是否充分的重要手段。通过随机抽样不同数量的序列并统计观测到的物种数,可以判断当前测序深度是否能够充分反映样本中的生物多样性。 #### 使用 `vegan` 包计算稀释曲线 R 语言中的 `vegan` 包提供了内置函数 `rarefy()` 和 `rarecurve()` 来计算和绘制稀释曲线。以下是一个基于物种级别丰度表的完整示例: ```r library(vegan) # 假设 otu 是一个物种丰度矩阵,行代表样本,列代表物种 # 示例数据:BCI 数据集来自 vegan 包 data(BCI) otu <- BCI # 确定最小的总序列数用于稀释 min_depth <- min(rowSums(otu)) # 计算每个样本在指定深度下的稀释值 rarefied_values <- rarefy(otu, sample = min_depth, se = TRUE) # 可视化稀释曲线 plot(rarefied_values, type = "l", xlab = "Sample Index", ylab = "Observed Species", main = "Rarefaction Curve") ``` 该方法适用于标准的 OTU 表或物种丰度矩阵,并能提供标准误差(SE)以展示置信区间[^3]。 --- #### 使用自定义函数模拟不同测序深度 如果希望更灵活地控制抽样过程,例如设定多个测序深度、重复次数等,可编写自定义函数进行稀释分析: ```r custom_rarefaction <- function(otu_matrix, depths = seq(100, max_depth, by = 100), reps = 10) { results <- list() for (depth in depths) { observed <- numeric(ncol(otu_matrix)) for (rep in 1:reps) { subsampled <- apply(otu_matrix, 2, function(col) { if (sum(col) < depth) return(rep(0, length(col))) sample(seq_along(col), size = depth, replace = TRUE, prob = col / sum(col)) }) observed <- observed + colSums(subsampled > 0) } results[[as.character(depth)]] <- observed / reps } do.call(rbind, lapply(names(results), function(d) { data.frame(Depth = as.integer(d), Sample = colnames(otu_matrix), Observed = results[[d]]) })) } # 使用自定义函数生成数据 otu_data <- read.table("species_abundance.txt", header = TRUE, row.names = 1) curve_data <- custom_rarefaction(otu_data, depths = seq(100, 10000, by = 500), reps = 10) # 使用 ggplot2 绘图 library(ggplot2) ggplot(curve_data, aes(x = Depth, y = Observed, color = Sample)) + geom_smooth(method = "loess", se = FALSE) + labs(title = "Custom Rarefaction Curve", x = "Sequencing Depth", y = "Observed Species") + theme_bw() ``` 此方法允许用户根据特定需求调整抽样策略和可视化样式,适用于复杂实验设计下的多样性分析[^1]。 --- #### 使用 `phyloseq` 进行整合分析 如果数据是以 `phyloseq` 对象形式存储的,可以通过提取 OTU 表并结合 `vegan` 实现稀释曲线分析: ```r library(phyloseq) library(vegan) # 加载 phyloseq 对象 # ps <- import_qiime(...) # 提取 OTU 表 otu_table <- otu_table(ps) # 计算稀释曲线 rare_curve <- rarefy(t(otu_table), sample = min(rowSums(otu_table)), se = TRUE) # 转换为数据框以便绘图 rare_df <- data.frame( Sample = names(rare_curve), Observed = as.vector(rare_curve), SE = attr(rare_curve, "se") ) # 绘图 ggplot(rare_df, aes(x = Sample, y = Observed)) + geom_line() + geom_errorbar(aes(ymin = Observed - SE, ymax = Observed + SE), width = 0.2) + labs(title = "Rarefaction Curve with Standard Error", x = "Sample", y = "Observed Species") + theme_minimal() ``` 这种方法适合整合系统发育信息与丰度数据进行联合分析,增强结果的解释性[^2]。 --- ### 判断测序深度是否合理 稀释曲线趋于平缓表示测序深度足够,继续增加测序量不会显著提升新物种的发现率;反之,若曲线仍呈上升趋势,则说明测序深度不足,应考虑增加样本量或测序深度[^5]。 ---
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