扩增子图表解读8网络图：节点OTU或类Venn比较

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背景介绍(Introduction)

宏基因组学

宏基因组学目前的主要研究方法包括：16S/ITS/18S扩增子、宏基因组、宏转录组和代谢组，其中以扩增子研究最为广泛。

目的意义

本系列文章将带领大家结合较新的16S扩增子相关文献，来理解宏基因组16S扩增子文章中常用图表种类、图中包括的基本信息，以及作者想表达的结果。

主要内容

本系列文章内容包括：柱状图、折线图、箱线图、散点图、热图、曼哈顿图、火山图、维恩图、三元图和网络图等。

学习思路

1. 罗列知识点，熟悉专业名词，弄个脸熟，即使理解不深刻起码在阅读中不会有抵触情绪；

2. 结合具体文章读图，实战两三次，基本就是专业人士了。

将来在大家可以很好理解相关文章图表的基础上，希望对分析、统计和绘图相关技术有进一步学习的小伙伴请积极回复并留言吧。如果本系统文章阅读过万，想学分析的留言过百。我还将详细讲解扩增子分析、统计和绘图各步骤的分析实例和源代码，希望大家多多鼓励和支持。

声明：文章的解读仅代表个人理解和观点，有不足处，请读者积极留言批评指正，互相学习，共同进步。

知识点(Method)

网络图 Network

网络图虽然给人高大上的感觉，但是由于信息太多，无法给读者提供读有效的可读信息或是读者不知道该理解什么，总是让人望尔却步。那是因为大家太不了解网络，自己读不懂网络想表达的意思及其重要性。

因此我要举一个网络分析重要的例子，大家都知道2012年诺贝尔奖得主Yamanaka提出的诱导干细胞的四因子，其时在之前已经有多篇网络分析文章提出了这四因子，只是Yamanaka是第一实验验证的。值得一提的是这篇获得诺奖的Cell文章只有一个一作和一个通讯，据説是当时这课题没人看好，也没人帮助，全是一作自己干的。

网络绘制工具

以OTU共丰度网络为例，常用的工具有MENA, LSA, SparCC和 CoNet四种网络构建方法，可视化的部分常用Cytoscape。详见的翻译的文章：微生物相关网络构建教程中文 http://blog.csdn.net/woodcorpse/article/details/73148650

网络图的应用

1. 显示群体内个体间的关系；正/负/无相关

2. 显示群体内间的调控关系，具体可分类几个高度相关的子网络/模块；

3. 寻找中心结点物种，用于人工重组微生物组实验，验证网络的结构和功能；

4. 显示不同群体间共有或特有的OTU；

看图实战(Result)

示例1. OTU共丰度网络

Edwards, J., et al. (2015). PNAS Fig. 2B/C
这篇文章分析了水稻根不同区域的细菌组成，16S分析文章较系统的作品，两年被引用147次，推荐阅读。

图5. 共丰度OTU网络，展示与甲烷循环相关的OTU模块

• A. 展示网络分析中11个与甲烷循环相关的模块，图中所有线为Pearson相关系数大于0.6的两个OTU间的连线；

• B. 单独展示与产甲烷菌、营养共生、甲烷氧化菌和其它甲烷循环功能高度相关的模块119，其中与以上四类相关的OTU添加了字母标签，对图例对应；

• C. 展示模块119在不同时间和生态位间的丰度变化

1. 图中元素解释：以图A为例说明

• 图中每个点代表一个OTU，

• 图中的连线/边代表相连的两个OTU间Pearson相关系数大于0.6，即有明显的正相关。

• 图中点的颜色代表该OTU处于不同的模块，图中的图注标示不同模块对应的颜色。

1. 图表结果：图中关注了水稻根细菌组相关网络中与甲烷相关的模块；并展示了其中一个模板示例存在多个与甲烷相关的OTU，并发现这类菌在不同生态位和地区的相对丰度存在明显变化。

2. 经验和技巧：每个模块一般为相关联接很紧密的一组OTU形成的子网络。在同一套数据中，一般会形成数量从大到小的若干子网络。本图只关注了正相关的关系，其实还存在许多菌/OTU间负相关的关系；

附图注原文：
Fig. 5. OTU coabundance network reveals modules of OTUs associated with methane cycling. (A) Subset of the entire network corresponding to 11 modules with methane cycling potential. Each node represents one OTU and an edge is drawn between OTUs if they share a Pearson correlation of greater than or equal to 0.6. (B) Depiction of module 119 showing the relationship between methanogens, syntrophs, methanotrophs, and other methane cycling taxonomies. Each node represents one OTU and is labeled by the presumed function of that OTU’s taxonomy in methane cycling. An edge is drawn between two OTUs if they have a Pearson correlation of greater than or equal to 0.6. (C) Mean abundance profile for OTUs in module 119 across all rhizocompartments and field sites. The position along the x axis corresponds to a different field site. Error bars represent SE. The x and y axes represent no particular scale.

示例2. 网络图展示不同海拔区域真菌的共有和特有情况

Yang, Teng. et al.” Environmental microbiology 18, no. 8 (2016): 2455-2469. 
这篇文章是南土所褚海燕老师组杨腾博士2016年发表在Enviromental microbiology上的文章，主要研究了长白山地区不同海拔分布下树木叶片内生真菌的分布，研究真菌的推荐阅读。

• 图4. OTU网络图展示不同海拔样品真菌属水平的OTU互作。

1. 图表元素

• 图中每个点代表一个OTU的真菌属，一共有242个属。

• 左侧的点表示这些属只出现在某一特定海拔，

• 右侧则表示这些属出现在多个海拔位置。

• 图中间为不同海位置的类，与对应的各组相连；

1. 图表结果：图中展示了不同海拔特有和共有的真菌属数量。其中有62个属出现在所有的海拔位置，而且这些属所占的丰度达到总测序量的98%。

2. 经验和技巧：此图为使用QIIME的make_otu_network.py程序分析获得的点和边文件结果，虽然叫网络，个人认为只是Venn图的变形，还是展示OTU共有和特有的情况，只是图片感觉更高端大气。而且分类的组可自由定义。比如右下角的OTU shared 2-5 组，Venn是做不到的。还有图片的配色，黑底绿线白字是不是很B格满满，有骇客帝国的感觉。

图注原文：
Fig. 4 An OTU network map showing the interactions of the OTUs among all the samples from different elevations, at the genus level. Each point represents one independent fungal genus (242 genera in total). Genera in the left column were unique to one site, while those in the right belonged to multiple elevation sites; 62 FE genera were found across all elevations and accounted for more than 98% of all the
sequences in the experiment.

Reference

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Gene_regulatory_network

2. http://blog.sciencenet.cn/blog-3227893-1010792.html

3. http://www.dxy.cn/bbs/thread/35745907#35745907

4. Takahashi, Kazutoshi, and Shinya Yamanaka. “Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors.” cell 126, no. 4 (2006): 663-676.

5. Boyer, Laurie A., Tong Ihn Lee, Megan F. Cole, Sarah E. Johnstone, Stuart S. Levine, Jacob P. Zucker, Matthew G. Guenther et al. “Core transcriptional regulatory circuitry in human embryonic stem cells.” cell 122, no. 6 (2005): 947-956.

6. Loh, Yuin-Han, Qiang Wu, Joon-Lin Chew, Vinsensius B. Vega, Weiwei Zhang, Xi Chen, Guillaume Bourque et al. “The Oct4 and Nanog transcription network regulates pluripotency in mouse embryonic stem cells.” Nature genetics 38, no. 4 (2006): 431-440.

7. 网络分析教程 http://blog.csdn.net/woodcorpse/article/details/73148650

8. Edwards, J., et al. (2015). “Structure, variation, and assembly of the root-associated microbiomes of rice.” Proceedings of the National Academy of Sciences 112(8): E911-E920.

9. Yang, Teng, Pamela Weisenhorn, Jack A. Gilbert, Yingying Ni, Ruibo Sun, Yu Shi, and Haiyan Chu. “Carbon constrains fungal endophyte assemblages along the timberline.” Environmental microbiology 18, no. 8 (2016): 2455-2469.

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