分子进化树构建及数据分析的简介
系统进化树的解读
系统进化树的解读
系统进化树，也称为分子进化树，是生物进化研究中的一个重要工具。
它通过分析不同生物的基因或蛋白质序列，揭示了生物之间的亲缘关系和进化顺序。
系统进化树的基础是假设所有生物都共享一个共同的祖先，并且随着时间的推移，这个祖先的子孙后代发生了分歧和变化。
这些变化体现在他们的基因或蛋白质序列上，因此可以通过对这些序列进行分析，来构建一个表示生物进化历程的树形图。
解读系统进化树需要一定的专业知识。
首先，你需要了解树中的各个物种是如何被分类的，以及它们在进化树中的位置。
这通常需要参考一些专业的生物学资料或数据库。
其次，你需要理解树中的分支长度和分支角度的含义。
分支长度通常表示从一个共同祖先到两个物种之间的进化距离，而分支角度则表示了这些物种之间的亲缘关系。
例如，如果两个物种在树的同一分支上，说明它们之间的亲缘关系较近；如果它们在不同的分支上，则说明它们之间的亲缘关系较远。
此外，你还需要考虑树的可靠性。
一些因素，如样本数量、采样范围和数据质量等，都会影响树的可靠性。
因此，解读系统进化树时需要谨慎对待，避免过度解读或误
导。
总的来说，系统进化树是一种强大的工具，可以帮助我们理解生物之间的亲缘关系和进化历程。
然而，解读系统进化树需要一定的专业知识和谨慎的态度。
只有这样，我们才能从这些树中获取准确的信息，并对生物进化有更深入的理解。
系统发育树
分子进化树构建及数据分析的简介mediocrebeing, rodger, lylover[1], klaus, oldfish, yzwpf一、引言开始动笔写这篇短文之前，我问自己，为什么要写这样的文章？写这样的文章有实际的意义吗？我希望能够解决什么样的问题？带着这样的疑惑，我随手在丁香园（DXY）上以关键字“进化分析求助”进行了搜索，居然有289篇相关的帖子（2006年9月12日）。
而以关键字“进化分析”和“进化”为关键字搜索，分别找到2,733和7,724篇相关的帖子。
考虑到有些帖子的内容与分子进化无关，这里我保守的估计，大约有3,000~4,000篇帖子的内容，是关于分子进化的。
粗略地归纳一下，我大致将提出的问题分为下述的几类：1．涉及基本概念。
例如，“分子进化与生物进化是不是一个概念”，“关于微卫星进化模型有没有什么新的进展”以及“关于Kruglyak的模型有没有改进的出现”，等等。
2．关于构建进化树的方法的选择。
例如，“用boostrap NJ得到XX图，请问该怎样理解？能否应用于文章？用boostrap test中的ME法得到的是XXX树，请问与上个树比，哪个更好”，等等。
3．关于软件的选择。
例如，“想做一个进化树，不知道什么软件能更好的使用且可以说明问题，并且有没有说明如何做”，“拿到了16sr RNA数据，打算做一个系统进化树分析，可是原来没有做过这方面的工作啊，都要什么软件”，“请问各位高手用clustalx 做出来的进化树与phylip做的有什么区别”，“请问有做过进化树分析的朋友，能不能提供一下，做树的时候参数的设置，以及代表的意思。
还有各个分支等数值的意思，说明的问题等”，等等。
4．蛋白家族的分类问题。
例如，“搜集所有的关于一个特定domain的序列，共141条，做的进化树不知具体怎么分析”，等等。
5．新基因功能的推断。
例如，“根据一个新基因A氨基酸序列构建的系统发生树，这个进化树能否说明这个新基因A和B同源，属于同一基因家族”，等等。
分子进化树构建方法
MP法建树流程
Sequence1 Sequence2 Sequence3
Sequence4
Position 1
Position 1 2 3 T G C T A C A G G A A G
If 1 and 2 are grouped a total of four changes are needed.
5
genetic change
系统发生树术语
Rooted tree vs. Unrooted tree
无 A 有 根 根 树 B 树 two major ways to root trees:
A
10 3 2 5
C D
By midpoint or distance
d (A,D) = 10 + 3 + 5 = 18 Midpoint = 18 / 2 = 9
Distance Uses only pairwise distances Minimizes distance between nearest neighbors Very fast Easily trapped in local optima Good for generating tentative tree, or choosing among multiple trees Maximum parsimony Uses only shared derived characters Minimizes total distance Maximum likelihood Uses all data Maximizes tree likelihood given specific parameter values Very slow Highly dependent on assumed evolution model Good for very small data sets and for testing trees built using other methods
分子进化：系统树的构建
98
祖先序列
A C T G A A C G T A A C G C
A C T G A→C→T A C→G G T→A A A→C→* T C G C
A C→A T G A A C→A G T→A A A * →T C G C→ +T→C
单一置换 (single substitution) 多重置换 (multiple substitutions) 同义置换 (coincidental substitutions) 平行置换 (parallel substitutions) 趋同置换 (convergent substitution) 反转置换 (back substitution)
101
(应用算术平均数的非加权成组配对法， unweighted pair-group method using an arithmetic average)。该法将类间距离定义为两个类的成员所列的线粒体 DNA 序列的资料。每对序列间的 Jukes-Cantor 距离取决于每对序列间差异核苷酸的观察数。如果在两条序列中 相同碱基的比例为 q，则距离 K 可估计为
第五章
分子进化：系统树的构建
自 20 世纪中叶，随着分子生物学的不断发展，进化研究也进入了分子进化 (molecular evolution)研究水平，并建立了一套依赖于核酸、蛋白质序列信息 的理论和方法。随着基因组测序计划的实施，基因组的巨量信息对若干生物领域 重大问题的研究提供了有力的帮助， 分子进化研究再次成为生命科学中最引人注 目的领域之一。 这些重大问题包括： 遗传密码的起源、 基因组结构的形成与演化、 进化的动力、生物进化等等。分子进化研究目前更多地是集中在分子序列上，但 随着越来越多生物基因组的测序完成，从基因组水平上探索进化奥秘，将开创进 化研究的新天地。人与老鼠的基因组大小相似，都含有约 30 亿碱基对，基因的 数量也相近， 可人与老鼠为何差异如此之大？从进化的角度如此解释？是否可以 在浩如烟海的基因组密码中获得答案？
分子进化总结分析—系统发生树的构建要求
系统发育树构建的基本方法
Distance-based methods 基于距离的方法
Unweightedpair group method using arithmetic average (UPGMA) 非加权分组平均法 Minimum evolution(ME)最小进化方法 Neighbor joining(NJ)邻位归并法
打开软件clustalx
• CLUSTALX－是CLUSTAL多重序列比对程序的 Windows版本。Clustal X为进行多重序列和轮廓比 对和分析结果提供一个整体的环境。 序列将显示屏幕的窗口中。采用多色彩的模式可 以在比对中加亮保守区的特征。窗口上面的下拉 菜单可让你选择传统多重比对和轮廓比对需要的 所有选项。
分子进化分析—— 系统发生发育分析是研究物种进化和系统分类的一种 方法，研究对象为携带遗传信息的生物大分子序 列，采用特定的数理统计算法来计算生物间的生 物系统发生的关系。并用系统进化树来概括生物 间的这种亲缘关系。
2
分子系统发育分析
• 系统发育进化树（ Phylogenetic tree) 用一种类似树状分支的图形来概括各种生物之间的亲缘关系。
• 名 称： Uncultured bacterium clone YU201H10 • 序列号： FJ694683 /FJ694514 • 文 献： TITLE Circumpolar synchrony in big river
bacterioplankton • 序列长度：353 • 相 似 比： 99% • 核酸序列 • 分类地位
• Clustalx比对结果是构建系统发育树的前提
具体步骤
• 根据需要，选定要比对的菌株及相应的序 列。将序列COPY至记事本
单倍型的分子系统树
单倍型的分子系统树一、概述单倍型的分子系统树是一种基于DNA序列数据构建的进化树，它能够反映物种间的亲缘关系和演化历史。
在单倍型分子系统树中，只考虑一个个体所拥有的一套染色体中某一个位点上的等位基因，这就是所谓的单倍型。
本文将从单倍型分子系统树的构建方法、应用领域、优缺点等方面进行详细介绍。
二、构建方法1. 样本收集：首先需要收集不同物种或个体之间相同位点上的DNA 序列数据。
2. 序列比对：将收集到的DNA序列进行比对，以确定它们之间的异同。
3. 构建进化模型：通过比对结果来确定不同物种或个体之间遗传差异程度，并选择合适的进化模型。
4. 构建进化树：利用选择出来的进化模型构建进化树。
三、应用领域1. 生物分类学研究：单倍型分子系统树可以被用来探究不同物种或亚种之间的亲缘关系和演化历史，为生物分类学研究提供了有力支持。
2. 种群遗传学研究：单倍型分子系统树可以被用来研究种群间的遗传结构和遗传多样性，为种群遗传学研究提供了有力工具。
3. 进化生物学研究：单倍型分子系统树可以被用来探讨不同物种或个体之间的进化历史和演化模式，为进化生物学研究提供了有力支持。
四、优缺点1. 优点：（1）能够准确反映物种间的亲缘关系和演化历史；（2）数据收集方便，成本较低；（3）能够对不同物种或个体之间的遗传差异进行量化比较。
2. 缺点：（1）只考虑一个个体所拥有的一套染色体中某一个位点上的等位基因，无法全面反映整个基因组的信息；（2）在构建进化树时需要选择合适的进化模型，选择不当可能会导致结果产生误差。
五、结论总之，单倍型分子系统树是一种重要的分子生物学工具，在生物分类学、种群遗传学和进化生物学等领域都有广泛应用。
虽然它也存在一些缺点，但是其优点仍然使它成为研究生物进化和演化历史的重要工具之一。
分子进化分析
外围群
Monophyletic group(单源群)
有根树
root
eukaryote eukaryote eukaryote eukaryote
Monophyletic group
4.基因树，物种树
Gene tree a A B
Species tree
b
D c We often assume that gene trees give us species trees
Phylip软件包介绍
Phylip是目前最广泛使用的系统发生分析程序， 主要包括一下几个程序组：分子序列组，距离 矩阵组，基因频率组，离散字符组，进化树绘 制组。
Phylip软件包分组介绍
分子序列组： 1.蛋白质序列：protpars，proml，promlk， protdist 2.核酸序列：dnapenny，dnapars， dnamove，dnaml，dnamlk， dnainvar，dnadist，dnacomp
1、专性胞内菌Rickettsia核心基因进化机制
2、蓝藻二元信号转导中的环化酶进 化机制
3、蓝藻限制性修复系统进化机制
4、苏云金芽孢杆菌杀虫蛋白进化机 制
5、SARS进化机制
此部分供同学们自学
常见的分子进化分析程序
1.Phylip
由华盛顿大学遗传学系开发，是一个免费的系统发育分析 软件包，可以通过以下地址下载。 /phylip.html 2. PAUP*
分子进化研究的基础（实际）
虽然很多时候仍然存在争议，但是分子进化确
实能阐述一些生物系统发生的内在规律。
分子钟理论
从一个分歧数据可以推测其他
y 序列分歧度
x
分歧时间
分子进化树算法
分子进化树算法分子进化树算法是一种用于研究生物进化关系的计算方法。
通过分析DNA、RNA或蛋白质序列的差异和相似性，可以构建出生物物种的进化树。
本文将介绍分子进化树算法的原理、应用和局限性。
一、原理分子进化树算法的原理基于遗传变异和进化。
生物个体的遗传信息通过DNA、RNA或蛋白质序列传递给后代，而在这个过程中会出现突变和重组等变异事件。
这些变异事件积累起来，形成了不同物种之间的差异。
分子进化树算法通过比较不同物种之间的序列差异和相似性，来推断它们之间的进化关系。
具体而言，分子进化树算法首先收集不同物种的DNA、RNA或蛋白质序列数据，然后利用计算方法计算它们之间的差异和相似性。
常用的计算方法包括序列比对、距离计算和进化模型推断。
通过这些计算，可得到一个差异矩阵或距离矩阵，它描述了不同物种之间的关系。
接下来，算法会利用这个矩阵来构建进化树，常见的构建方法有最小进化树、最大似然法和贝叶斯推断等。
二、应用分子进化树算法在生物学研究中有着广泛的应用。
首先，它可以帮助研究者揭示不同物种之间的进化关系。
通过构建进化树，可以了解物种的亲缘关系、起源时间和地理分布等信息。
这对于研究物种的进化历史和生态演化具有重要意义。
分子进化树算法可以用于物种鉴定和系统学研究。
在分类学中，鉴定物种是一个基础性任务。
通过分析物种的分子序列，可以判断它们是否属于同一物种，进而指导分类学的研究和实践。
分子进化树算法还可以用于研究基因功能和基因家族的进化。
通过比较不同物种中的基因序列，可以推断基因的功能和进化过程。
这对于深入理解基因的演化和功能具有重要意义。
三、局限性尽管分子进化树算法在生物学研究中有广泛应用，但也存在一些局限性。
首先，算法的结果受到数据质量和选择的进化模型的影响。
如果数据质量不高或选择的进化模型不合适，可能会导致结果的不准确性。
分子进化树算法无法解决样本不完整或有限的情况。
如果物种样本有限或者存在缺失数据，算法可能无法准确地构建进化树。
分子进化学中的进化树构建方法
分子进化学中的进化树构建方法随着科技的进步和生物技术的广泛应用，分子生物学的研究逐渐深入，成为生物学、生物技术和医药学等领域的重要研究方向。
而分子进化学作为分子生物学中的一个重要分支，研究物种间的分子差异和进化关系。
其中，构建进化树是分子进化学研究中的重要工作，下面我们来了解一下进化树构建的方法。
一、进化树的基本概念进化树是描述不同物种、不同基因或不同蛋白质之间进化关系的图形化表示。
在进化树中，每一个分支代表了一个物种、一个基因或一个蛋白质序列，分支的长度表示了物种、基因或序列的进化距离，而进化距离则是衡量不同物种或不同序列之间关系的基本参数。
而构建进化树的过程则是根据分子序列数据的重构得到物种或基因的进化树。
二、进化树的构建方法构建进化树有多种方法，主要有距离矩阵法、系统发育学法、最大似然法和贝叶斯法等。
下面我们逐一介绍这些方法的基本原理。
1.距离矩阵法距离矩阵法是最早采用的一种构建进化树的方法，它基于序列之间的距离矩阵计算和聚类方法来得到进化树。
该方法首先计算所有分子序列之间的距离（距离可由序列相似性计算得出），然后根据聚类方法构建进化树。
聚类方法包括单链接聚类、均链接聚类和最大链接聚类等。
距离矩阵法的优点是构建速度快、适用性广，但是对于高变异的序列来说，该方法可能会产生误导性的结果。
2.系统发育学法系统发育学法是基于系统学原理，采用系统发生学的理论和方法来构建进化树。
该方法主要是通过分子序列的相似性构建系统发育分析矩阵，然后利用不同的计算方法（如UPGMA、NJ和ML等）推断进化树。
系统发育学法的优点是能够更准确地反映分子序列的演化，并且可以通过不同的方法比较结果，但是该方法需要大量的计算资源和长时间的计算。
3.最大似然法最大似然法是一种统计学上的方法，通过最大化序列数据与观测数据的相似度，来推断出最可能的进化树。
该方法需要整合进化模型和数据，然后计算不同进化模型下数据的似然函数，最终选择似然度最大的进化树。
分子进化树
(2)-(3)+(1)
d=4,e=6
dD eE
=> C最接近DE！
分成三组：C, DE, 以及AB
c+g+(e+d)/2=19 (1) c+f+(a+b)/2=40 (2) (e+d)/2+(a+b)/2+f+g=41 (2) (1)+(2)-(3) => c=9 => g=5
由：(a+b)/2+f+g+(d+e)/2=41 得：f=20 由：a+f+c=39 得：a=10，则b=12
最大简约法(maximumparsimony,MP)
根据信息位点提供的各序列间的 替换情况，在所有可能的树中筛 选含最小替换数的树的方法。
最大简约法（MP）
该方法的理论基础是奥卡姆剃刀原理，即如无必要，勿 增实体（解释一个过程的最好的理论是所需假设数目最 少的那一个）。
主要思想：构造一个反映分类单元之间最小变化的系统 发育树，即选择核苷酸序列全部位点最小核苷酸替代数 之和最小的树作为最优树。
– 可用于任何相关序列集合
• 计算速度：
– 距离法 >最大简约法 >最大似然法
2.1 距离法
• 又称距离矩阵法，首先通过各个物种之间 的比较，根据一定的假设（进化距离模型 ）推导得出分类群之间的进化距离，构建 一个进化距离矩阵。再依据进化距离，分 别依次将序列合并聚类，构建进化树。
简单的距离矩阵
• Tree 1最为简约 • MP tree的最优结果为tree 1
最大简约法
如：用最大简约法构建下面4组序列的系统树 AAG AAA GGA AGA
分子进化树构建及数据分析的简介
分子进化树构建及数据分析的简介开始动笔写这篇短文之前，我问自己，为什么要写这样的文章？写这样的文章有实际的意义吗？我希望能够解决什么样的问题？带着这样的疑惑，我随手在丁香园（DXY）上以关键字“进化分析求助”进行了搜索，居然有289篇相关的帖子（2006年9月12日）。
而以关键字“进化分析”和“进化”为关键字搜索，分别找到2,733和7,724篇相关的帖子。
考虑到有些帖子的内容与分子进化无关，这里我保守的估计，大约有3,000~4,000篇帖子的内容，是关于分子进化的。
粗略地归纳一下，我大致将提出的问题分为下述的几类：1．涉及基本概念。
例如，“分子进化与生物进化是不是一个概念”，“关于微卫星进化模型有没有什么新的进展”以及“关于Kruglyak的模型有没有改进的出现”，等等。
2．关于构建进化树的方法的选择。
例如，“用boostrap NJ得到XX图，请问该怎样理解？能否应用于文章？用boostrap test中的ME法得到的是XXX树，请问与上个树比，哪个更好”，等等。
3．关于软件的选择。
例如，“想做一个进化树，不知道什么软件能更好的使用且可以说明问题，并且有没有说明如何做”，“拿到了16sr RNA数据，打算做一个系统进化树分析，可是原来没有做过这方面的工作啊，都要什么软件”，“请问各位高手用clustalx做出来的进化树与phylip做的有什么区别”，“请问有做过进化树分析的朋友，能不能提供一下，做树的时候参数的设置，以及代表的意思。
还有各个分支等数值的意思，说明的问题等”，等等。
4．蛋白家族的分类问题。
例如，“搜集所有的关于一个特定domain的序列，共141条，做的进化树不知具体怎么分析”，等等。
5．新基因功能的推断。
例如，“根据一个新基因A氨基酸序列构建的系统发生树，这个进化树能否说明这个新基因A和B同源，属于同一基因家族”，等等。
6．计算基因分化的年代。
例如，“想在基因组水平比较两个或三个比较接近物种之间的进化年代的远近，具体推算出他们之间的分歧时间”，“如何估计病毒进化中变异所需时间”，等等。
第七章分子系统发育分析进化树
D C F GA B E†
系统进化树的概念
直系同源(orthol。
旁系同源(paralogs): 同源的基因是由于基因复制产生的。 用于分子进化分析中的序列必须是直系同源的，才能真实
反映进化过程。
旁系同源
直系同源
系统进化树的种类
Eukaryote 4
系统进化树的种类
——物种树、基因树
物种树：代表一个物种或 群体进化历史的系统进化 树，两个物种分歧的时间 为两个物种发生生殖隔离 的时间
基因树：由来自各个物种 的一个基因构建的系统进 化树（不完全等同于物种 树），表示基因分离的时 间。
基因分裂
基因分裂 基因分裂 物种分裂
关于分子钟的讨论和争议
1、对长期进化而言，不存在以恒定速率替换的生物大分子 一级结构；（基因功能的改变、基因数目的增加）
2、不存在通用的分子钟；
3、争议： 分子钟的准确性 中性理论（分子钟成立的基础）
第一节 生物进化的分子机制
分子途经研究生物进化的可行性 分子进化的模式 分子进化的特点 研究分子进化的作用
末端节点：代表最终分类， 可以是物种，群体，或者蛋 白质、DNA、RNA分子等
A
B
C
D 祖先节点/树根
内部节点/分歧点，该
E
分支可能的祖先节点
系统进化树的概念
进化树分支的图像称为进化的拓扑结构 理论上，一个DNA序列在物种形成或基因复制时，
分裂成两个子序列，因此系统进化树一般是二歧 的。
A BC D F G E†
氨基酸
例：血红蛋白分子的外区的功能要次于内区的功能，外区的进化速率 是内区进化速率的10倍。
核苷酸
例：DNA密码子的同义替代频率高于非同义替代频率；内含子上的核 苷酸替代频率较高。
进化树分析
二、系统发育树重建分析步骤
多序列比对（自动比对，手工校正） 确定替换模型 建立进化树 进化树评估
2.1多序列比对
序列多重比对的结果反映了序列之间的相似性， 为系统发育树的构建提供了有价值的信息。为提 高模型估算的精确性，不仅需要选择合适的比对 方法和参数，还需要对后续比对结果进行合理修 正，从中提取有意义的数据集用于系统发育树的 构建。
分子系统发育分析
一、分子进化的基本理论
系统发育（或种系发育、系统发生，phylogeny） 是指生物形成或进化的历史。 系统发育学(phylogenetics)研究物种之间的进化 关系，其基本思想是比较物种的特征，并认为特 征相似的物种在遗传学上接近。
一、分子进化的基本理论
系统发育学是进化生物学的一个重要研究领域， 系统发育分析早在达尔文时代就已经开始。从那 时起，科学家们就开始寻找物种的源头，分析物 种之间的进化关系，给各个物种分门别类。
一、分子进化的基本理论
所有的生物都可以追溯到共同的祖先，生物的产 生和分化就像树一样地生长、分叉，以树的形式 来表示生物之间的进化关系是非常自然的事。可 以用树中的各个分支点代表一类生物起源的相对 时间，两个分支点靠得越近，则对应的两群生物 进化关系越密切。
经典系统发育学
经典系统发育学 主要是物理或表型特征 如生物体的大小、颜色、触角个数 通过表型比较来推断生物体的基因型 (genotype)，研究物种之间的进化关系
系统发育树：三种类型
分支图
Taxon B Taxon C Taxon A Taxon D
1 1
进化树
6
时间度量树
Taxon B Taxon B Taxon C Taxon A Taxon D
生物大数据技术的进化树构建方法与工具
生物大数据技术的进化树构建方法与工具随着现代生物学研究范式不断发展，生物大数据成为生物学研究的重要资源。
在生物大数据中，进化树构建是解决物种分类和亲缘关系的关键环节之一。
进化树提供了生物物种之间的演化关系，帮助我们理解生物多样性的起源和演化过程。
在本文中，我将介绍生物大数据技术中用于构建进化树的方法与工具。
进化树构建的方法包括距离法、最大简约法和贝叶斯法等。
距离法是一种基于物种间差异的测量方法，常用的距离指标有进化距离、遗传距离和相似性距离等。
最大简约法则基于进化过程中最简单的演化树，寻找一棵树，使得所有的观察数据与这棵树的解释最为一致。
贝叶斯法是一种基于概率统计的方法，利用贝叶斯统计推断物种之间的关系，它可以通过蒙特卡罗马尔科夫链蒙特卡罗（MCMC）方法来求解。
生物大数据技术的进化树构建方法中有许多重要的工具。
其中，最广泛使用的方法之一是分子系统学。
分子系统学利用生物大数据中的遗传序列信息来构建进化树，最常用的序列包括基因组序列和蛋白质序列。
常见的分子系统学工具有MEGA、PHYLIP、RAxML和MrBayes等。
MEGA是一个综合的分子进化分析软件，集成了多种进化模型和构建方法。
PHYLIP是最早的公开可用的构建进化树的软件包，其中包含了多种构建方法和分析工具。
RAxML是一种用于大规模物种分类研究的软件，它具有高效的计算性能和准确的模型选择。
MrBayes是一种基于贝叶斯统计学的软件，能够估计单个和多个基因的进化树。
此外，还有一些新兴的工具用于生物大数据中进化树的构建。
一种常见的方法是使用基于物种演化树的软件包，例如ASTRAL和PhyloNet。
ASTRAL利用结合物种组织树关系和基因树关系的联合推断来构建物种进化树，它能够处理物种树混淆或基因树不完整的情况。
PhyloNet是一种基于网络理论和统计学的方法，可以推断出复杂的物种进化网络，包括基因水平的基因转移和混合。
除了这些方法和工具外，还有一些改进的技术被用于生物大数据中的进化树构建。
进化树构建参数
进化树构建参数一、概述进化树构建是生物信息学中的一个重要研究领域，它涉及到许多参数的选择和优化。
进化树构建是基于已知序列的演化关系，通过计算分子进化模型的距离或相似度，从而推断不同物种之间的进化关系。
本文将详细介绍构建进化树时需要考虑的参数。
二、参数种类1. 样本选择：样本选择是构建进化树时必须考虑的第一个因素。
样本数量和种类的选择对于构建出准确可靠的进化树至关重要。
2. 进化模型：不同基因序列在演变过程中所遵循的进化模型是不同的，常见有Jukes-Cantor模型、Kimura 2-parameter模型、HKY85模型等。
3. 距离度量方法：距离度量方法包括无权法（UPGMA）、加权法（WPGMA）、最小演化法（ME）、最大简约法（MP）等。
4. 系统发育假设：系统发育假设包括分子钟假说和非分子钟假说两种，分别应用于有无时间信息两种情况下。
5. 支持率阈值：支持率阈值指代各节点的支持率，通常以Bootstrap值或Bayesian后验概率等指标表示。
支持率阈值越高，节点的可靠性越高，但会导致树的拓扑结构出现偏差。
三、参数选择1. 样本选择：样本应该代表各个物种的演化历史，并且应该包含足够数量的序列以减少噪音和随机误差对结果的影响。
2. 进化模型：进化模型应该选择最适合数据集特征的模型。
可以使用模型比较方法（如AIC、BIC等）来确定最优模型。
3. 距离度量方法：距离度量方法应该根据不同数据集和研究问题进行选择。
UPGMA适用于相对简单的数据集，而ME和MP适用于复杂的数据集。
4. 系统发育假设：系统发育假说应该根据具体情况进行选择。
分子钟假说适用于有时间信息的数据集，而非分子钟假说则适用于无时间信息或时间信息不可靠的数据集。
5. 支持率阈值：支持率阈值应该根据具体情况进行选择。
通常建议设置在70%以上。
四、参数优化1. 交叉验证法：交叉验证法可以用来选择最优的进化模型和距离度量方法。
2. Bootstrap分析：Bootstrap分析可以用来评估节点的支持率阈值，并且可以用来检测树的拓扑结构是否稳定。
分子进化树构建的简要步骤（以蛋白为例）
分⼦进化树构建的简要步骤（以蛋⽩为例）PhyML利⽤氨基酸序列建树步骤（核酸建树也可以作为参考）前⾔：本⽂阅读对象适合建树新⼿，⽣物信息学⾼⼿请勿嘲笑，其中有什么错误还恳请指点。
为什么要建树及其你要解决什么问题这⾥不做讨论，只是⼀个纯粹的建树过程，前期的序列收集过程⾃⼰费⼼，根据⾃⼰的需要来做。
这⾥主要是最⼤似然法来建树，NJ法像mega这些软件中都有集成，最新的mega7也集成ML法，不过模型及各种参数不⼀定适合你，所以学习多种多种⽅法也是有⽤的，PhyML速度较慢，如果数列数量较多、步长检验次数多，等待时间会很长，有可能达到⼏⼗⼩时，也与电脑配置有关，⼀般时间都是以⼩时计数，所以要有⼼理准备，如果数据量⼤，推荐⽤RaxML或其他⽅法建树，它处理速度要⽐PhyML 快，不过RaxML是纯命令操作，对不熟悉命令及参数意义的⼈有⼀定难度，我只在linux 下操作过，在win下没有使⽤过。
本⽂是⽤氨基酸建树过程，如果你是⽤核酸序列建树，也可以参考这个过程，核酸替代模型请⽤jmodeltest或其他同功软件计算。
由于PhyML计算过程⽐较长，做⼀遍⽐较耗时，推荐你⽤其他软件⽤NJ法先⾏试验建树，看看你选择的序列是否有效及符合你的预期结果，调整好序列后再⽤PhyML跑⼀遍看结果是否符合⾃⼰的要求。
PhyML有线上版本，只需要提交序列⽐对结果，设置模型参数，留下邮箱等待就会给你返回结果，不过时间不可控，根据⾃⾝情况选择线上还是本地⾃⼰建树。
⽔平有限，如有错误遗漏恳请各位指点。
如果在⽂库不能下载，可以去⽹盘下载，见⽂末。
●建树过程：序列准备-模型选择-建树及树的验证。
●环境准备：电脑^-^Windows或者Linux都可以（没试过mac，如果是mac环境，请参考具体的操作⼿册）、ProtTest、PhyMl及序列⽐对的软件，线上或本地都可以。
1.序列准备：在⾃⼰熟悉的数据库中（我⾃⼰⽐较熟悉Ncbi）上做blast，选取跟要建树蛋⽩同源的各物种序列，下载到本地，整合到⼀个fasta⽂件中，注意修改物种名称，字数最好不要太长，序列⽐对后.phy格式⽂件对⽂件名长度有限制（这个可能跟软件有关系，只要⾃⼰知道是什么物种，不⾄于混淆就⾏），注意规范性，fasta⽂件中最好除了>头标，字母及下划线不要有其他不相关的字符，因为如果后⾯你要⽤软件分析.phy⽂件的时候这些软件对.phy的格式要求⽐较变态，有其他多余字符它都会报错的（你如果在dos 下⽤命令合并⽂件请注意⽂件中最后⼀⾏的字符，请删除）。
生物学家分子进化分析技术
生物学家分子进化分析技术生物进化是生物学的一项重要内容，它关注的是所有生命形式的起源和演化。
传统的研究方法主要依赖于形态解剖学和生物化学性质的比较研究。
但是随着分子生物学技术的发展，研究者们可以通过对生物分子结构和序列的比较，更准确的了解生物的起源和演化。
而这些关于生物分子结构和序列比较的方法，就是分子进化分析技术。
分子进化分析技术是通过分析生物分子（例如DNA、RNA和蛋白质）的方法，确定生命之间的演化关系。
一个典型的分子进化分析流程可以分为以下几个步骤：1.序列获取：通过实验室的技术或者在线数据库获取相关分子的序列信息。
2.多序列比对：将获取的分子序列对齐，并将它们进行比较，以便找到共同的特征。
3.构建进化树结构：比对得到同源性序列后，可以利用一些专用算法建立起进化树结构。
这个结构展示基因在不同物种中的变化，并可用于推测它们的进化路线。
4.进化速率分析：研究者可以通过序列的变异率和时间估算特定事件的时间，例如物种分化的时间或特定基因的起源时间。
这项技术通常需要配备具有多序列分析能力的计算机程序。
5.分子钟校准：当时间估计结果与已知化石记录相悖时，必须校准分子钟以修复时间估计。
这使得研究人员能够在不同生物的基础上精确地推断出生物形态或生态方面的变化过程。
分子进化分析技术已经在生物领域的各个分支中得到广泛应用。
可以用它来研究物种的演化和分布，探究生态系统的网络平衡、分辨出潜在的物种来源及基于特定功能或表现的物种分类。
在演化学中，分子进化分析技术已经被广泛应用了近40年。
通过分析DNA，生物学家们已经发现了许多关于物种起源的新数据和信息。
现今的分子进化学基本上可以独立于传统分类学，其指导理念是分子钟（molecular clock）。
这种基因时钟方法的出现，使得绝大多数物种的分化时间都可以用分子技术来测试。
分子进化分析技术还可以探明不同物种之间的学科化程度。
对于传统分类过于模糊的生物祖先，如何定义生物属种并不总是那么明显。
植物分子进化的基本理论和方法
植物分子进化的基本理论和方法植物分子进化的研究是遗传学和进化生物学领域的重要分支，它通过对植物基因组的分析和比较，揭示了植物物种的进化历史、亲缘关系以及适应环境的机制。
本文将介绍植物分子进化的基本理论和方法，以便读者更好地了解和应用于实际研究中。
一、分子演化基本理论分子演化是通过研究生物体中基因组的进化和变异，推断生物的亲缘关系和进化历史的学科。
以下是植物分子进化的基本理论：1.演化树理论：演化树是用来表示物种间亲缘关系的分支图，它反映了物种的进化历史。
植物分子进化学家使用多种方法构建演化树，包括系统发育分析、类群分析和进化模型比较等。
2.分子钟假说：分子钟假说认为在无选择压力的情况下，分子序列的改变是以恒定的速率发生的。
通过测量不同物种间同一基因的分子差异，我们可以推断它们的分化时间，从而了解不同物种的进化速率。
3.基因流和亲缘关系：基因流是物种间基因的交流和混合，对于植物分子进化的研究来说很重要。
通过分析不同物种间基因的共享程度，我们可以推断它们的亲缘关系和基因交流历史。
二、植物分子进化的研究方法植物分子进化的研究方法主要包括DNA测序技术、系统发育分析、遗传标记和分子进化模拟等。
下面将分别介绍这些方法及其在植物分子进化研究中的应用。
1.DNA测序技术：DNA测序是植物分子进化研究的基础，它可以通过测量DNA序列的碱基组合来研究基因组的结构和变异。
常用的DNA测序方法包括Sanger测序和下一代测序技术，它们使得大规模DNA测序成为可能。
2.系统发育分析：系统发育分析是植物分子进化研究的核心方法之一，它通过比对和分析物种间的DNA序列或蛋白质序列，构建演化树以揭示植物物种的亲缘关系。
常用的系统发育分析方法包括最大似然法、贝叶斯法和距离法等。
3.遗传标记：遗传标记是一种用于检测物种间遗传变异的方法，它通过分析物种DNA中的特定序列，揭示物种间的遗传关系和进化历史。
常用的遗传标记包括RAPD、SSR和SNP等，它们被广泛应用于物种鉴定、遗传多样性和基因流研究等领域。
分子进化中的树状图结构研究
分子进化中的树状图结构研究随着科学技术的不断发展以及实验技术的日益成熟，分子进化成为当前生物学研究中的一个重要领域。
而树状图结构则是分子进化研究中不可或缺的工具。
本文将从分子进化的基本概念出发，讲述树状图结构的概念、分类以及在分子进化中的应用。
一、基本概念分子进化指的是将分子水平上的遗传信息转换为演化关系的一种过程。
在分子进化中，分子遗传学家主要通过分析基因或蛋白质序列的差异来推断生物之间的进化关系。
而这些差异可以反映出不同物种之间的亲缘关系以及演化的历史。
二、树状图结构的分类以分子序列的差异为基础推断出物种间亲缘关系的方法有很多，其中最常见的是基于树状图结构的方法。
在这种方法中，通过构建一棵进化树来表达分子序列之间的相对关系，从而推断出物种之间的进化关系。
树状图结构可分为两大类：系统进化树和种系进化树。
系统进化树旨在描述不同生物之间的进化关系，并根据这些关系将生物组织起来。
而种系进化树则主要用于描述生物之间的分类关系，它可以帮助我们更好地理解不同生物之间的关系以及它们之间的共同祖先。
三、树状图结构在分子进化中的应用在分子进化中，树状图结构被广泛应用于分析基因或蛋白质序列之间的亲缘关系。
通过基于序列比对的方法，可以推断出不同序列之间的演化关系，并进而构建进化树。
在这个过程中，不同的技术和算法被用来构建出树状图结构，如距离法、最大拟合法、贝叶斯网络等。
这些算法可以采用不同的评估准则以及树的假设模型，从而得到不同的进化树模型。
不同的模型具有不同的优缺点，因此在选择时需要考虑多个因素。
总之，树状图结构是分子进化研究中不可或缺的工具。
通过建立进化树，我们可以更直观地了解生物的进化历史，同时还可以为其他生物学研究提供有力的支持。
随着技术的不断提升，相信未来树状图结构在分子进化研究中的应用会越来越广泛。
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分子进化树构建及数据分析的简介mediocrebeing, rodger, lylover1, klaus, oldfish, yzwpf一、引言开始动笔写这篇短文之前，我问自己，为什么要写这样的文章？写这样的文章有实际的意义吗？我希望能够解决什么样的问题？带着这样的疑惑，我随手在丁香园（DXY）上以关键字“进化分析求助”进行了搜索，居然有289篇相关的帖子（2006年9月12日）。
而以关键字“进化分析”和“进化”为关键字搜索，分别找到2,733和7,724篇相关的帖子。
考虑到有些帖子的内容与分子进化无关，这里我保守的估计，大约有3,000~4,000篇帖子的内容，是关于分子进化的。
粗略地归纳一下，我大致将提出的问题分为下述的几类：1．涉及基本概念。
例如，“分子进化与生物进化是不是一个概念”，“关于微卫星进化模型有没有什么新的进展”以及“关于Kruglyak的模型有没有改进的出现”，等等。
2．关于构建进化树的方法的选择。
例如，“用boostrap NJ得到XX图，请问该怎样理解？能否应用于文章？用boostrap test中的ME法得到的是XXX树，请问与上个树比，哪个更好”，等等。
3．关于软件的选择。
例如，“想做一个进化树，不知道什么软件能更好的使用且可以说明问题，并且有没有说明如何做”，“拿到了16sr RNA数据，打算做一个系统进化树分析，可是原来没有做过这方面的工作啊，都要什么软件”，“请问各位高手用clustalx做出来的进化树与phylip做的有什么区别”，“请问有做过进化树分析的朋友，能不能提供一下，做树的时候参数的设置，以及代表的意思。
还有各个分支等数值的意思，说明的问题等”，等等。
4．蛋白家族的分类问题。
例如，“搜集所有的关于一个特定domain的序列，共141条，做的进化树不知具体怎么分析”，等等。
5．新基因功能的推断。
例如，“根据一个新基因A氨基酸序列构建的系统发生树，这个进化树能否说明这个新基因A和B同源，属于同一基因家族”，等等。
6．计算基因分化的年代。
例如，“想在基因组水平比较两个或三个比较接近物种之间的进化年代的远近，具体推算出他们之间的分歧时间”，“如何估计病毒进化中变异所需时间”，等等。
7．进化树的编辑。
例如生成的进化树图片，如何进行后续的编辑，比如希望在图片上标注某些特定的内容，等等。
由于相关的帖子太多，作者在这里对无法阅读全部的相关内容而致以歉意。
同时，作者归纳的这七个问题也并不完全代表所有的提问。
对于问题1所涉及到的基本的概念，作者推荐读者可参考由Masatoshi Nei与Sudhir Kumar所撰写的《分子进化与系统发育》（Molecular Evolution and Phylogenetics）一书，以及相关的分子进化方面的最新文献。
对于问题7，作者之一lylover一般使用Powerpoint 进行编辑，而Photoshop、Illustrator及Windows自带的画图工具等都可以使用。
这里，作者在这里对问题2-6进行简要地解释和讨论，并希望能够初步地解答初学者的一些疑问。
1lylover. Email: lylover_2005@二、方法的选择首先是方法的选择。
基于距离的方法有UPGMA、ME（Minimum Evolution，最小进化法）和NJ（Neighbor-Joining，邻接法）等。
其他的几种方法包括MP （Maximum parsimony，最大简约法）、ML（Maximum likelihood，最大似然法）以及贝叶斯（Bayesian）推断等方法。
其中UPGMA法已经较少使用。
一般来讲，如果模型合适，ML的效果较好。
对近缘序列，有人喜欢MP，因为用的假设最少。
MP一般不用在远缘序列上，这时一般用NJ或ML。
对相似度很低的序列，NJ往往出现Long-branch attraction（LBA，长枝吸引现象），有时严重干扰进化树的构建。
贝叶斯的方法则太慢。
对于各种方法构建分子进化树的准确性，一篇综述（Hall BG. Mol Biol Evol 2005, 22(3):792-802）认为贝叶斯的方法最好，其次是ML，然后是MP。
其实如果序列的相似性较高，各种方法都会得到不错的结果，模型间的差别也不大。
对于NJ和ML，是需要选择模型的。
对于各种模型之间的理论上的区别，这里不作深入的探讨，可以参看Nei的书。
对于蛋白质序列以及DNA序列，两者模型的选择是不同的。
以作者的经验来说，对于蛋白质的序列，一般选择Poisson Correction（泊松修正）这一模型。
而对于核酸序列，一般选择Kimura 2-parameter（Kimura-2参数）模型。
如果对各种模型的理解并不深入，作者并不推荐初学者使用其他复杂的模型。
Bootstrap几乎是一个必须的选项。
一般Bootstrap的值>70，则认为构建的进化树较为可靠。
如果Bootstrap的值太低，则有可能进化树的拓扑结构有错误，进化树是不可靠的。
对于进化树的构建，如果对理论的了解并不深入，作者推荐使用缺省的参数。
需要选择模型的时候（例如用NJ或者ML建树），对于蛋白序列使用Poisson Correction模型，对于核酸序列使用Kimura-2参数模型。
另外需要做Bootstrap 检验，当Bootstrap值过低时，所构建的进化树其拓扑结构可能存在问题。
并且，一般推荐用两种不同的方法构建进化树，如果所得到的进化树类似，则结果较为可靠。
三、软件的选择表1中列出了一些与构建分子进化树相关的软件。
构建NJ树，可以用PHYLIP（写得有点问题，例如比较慢，并且Bootstrap 检验不方便）或者MEGA。
MEGA是Nei开发的方法并设计的图形化的软件，使用非常方便。
作者推荐MEGA软件为初学者的首选。
虽然多雪列比对工具ClustalW/X自带了一个NJ的建树程序，但是该程序只有p-distance模型，而且构建的树不够准确，一般不用来构建进化树。
构建MP树，最好的工具是PAUP，但该程序属于商业软件，并不对学术免费。
因此，作者并不建议使用PAUP。
而MEGA和PHYLIP也可以用来构建进化树。
这里，作者推荐使用MEGA来构建MP树。
理由是，MEGA是图形化的软件，使用方便，而PHYLIP则是命令行格式的软件，使用较为繁琐。
对于近缘序列的进化树构建，MP方法几乎是最好的。
构建ML树可以使用PHYML，速度最快。
或者使用Tree-puzzle，速度也较快，并且该程序做蛋白质序列的进化树效果比较好。
而PAML则并不适合构建进化树。
ML的模型选择是看构出的树的likelihood值，从参数少，简单的模型试起，到likelihood值最大为止。
ML也可以使用PAUP或者PHYLIP来构建。
这里作者推荐的工具是BioEdit。
BioEdit集成了一些PHYLIP的程序，用来构建进化树。
Tree-puzzle是另外一个不错的选择，不过该程序是命令行格式的，需要学习DOS命令。
PHYML的不足之处是没有win32的版本，只有适用于64位的版本，因此不推荐使用。
值得注意的是，构建ML树，不需要事先的多序列比对，而直接使用FASTA格式的序列即可。
贝叶斯的算法以MrBayes为代表，不过速度较慢。
一般的进化树分析中较少应用。
由于该方法需要很多背景的知识，这里不作介绍。
表1 构建分子进化树相关的软件软件网址说明ClustalX http://bips.u-strasbg.fr/fr/Documentation/ClustalX/图形化的多序列比对工具ClustalW /biosi/research/biosoft/Downloads/clustalw.html 命令行格式的多序列比对工具GeneDoc /biomed/genedoc/ 多序列比对结果的美化工具BioEdit /BioEdit/bioedit.html序列分析的综合工具MEGA/ 图形化、集成的进化分析工具，不包括MLPAUP/ 商业软件，集成的进化分析工具PHYLIP http://evolution.genetics.washingto/phylip.html 免费的、集成的进化分析工具PHYML http://atgc.lirmm.fr/phyml/ 最快的ML建树工具PAML /software/paml.htmlML建树工具Tree-puzzlehttp://www.tree-puzzle.de/较快的ML建树工具MrBayes/ 基于贝叶斯方法的建树工具MAC5 /software/mac5/ 基于贝叶斯方法的建树工具TreeView /rod/treeview.html进化树显示工具需要注意的几个问题是，其一，如果对核酸序列进行分析，并且是CDS编码区的核酸序列，一般需要将核酸序列分别先翻译成氨基酸序列，进行比对，然后再对应到核酸序列上。
这一流程可以通过MEGA 3.0以后的版本实现。
MEGA3现在允许两条核苷酸，先翻成蛋白序列比对之后再倒回去，做后续计算。
其二，无论是核酸序列还是蛋白序列，一般应当先做成FASTA格式。
FASTA格式的序列，第一行由符号“>”开头，后面跟着序列的名称，可以自定义，例如user1，protein1等等。
将所有的FASTA格式的序列存放在同一个文件中。
文件的编辑可用Windows自带的记事本工具，或者EditPlus（google搜索可得）来操作。
文件格式如图1所示：图1 FASTA格式的序列另外，构建NJ或者MP树需要先将序列做多序列比对的处理。
作者推荐使用ClustalX进行多序列比对的分析。
多序列比对的结果有时需要后续处理并应用于文章中，这里作者推荐使用GeneDoc工具。
而构建ML树则不需要预先的多序列比对。
因此，作者推荐的软件组合为：MEGA 3.1 + ClustalX + GeneDoc + BioEdit。
四、数据分析及结果推断一般碰到的几类问题是，（1）推断基因/蛋白的功能；（2）基因/蛋白家族分类；（3）计算基因分化的年代。
关于这方面的文献非常多，这里作者仅做简要的介绍。
推断基因/蛋白的功能，一般先用BLAST工具搜索同一物种中与不同物种的同源序列，这包括直向同源物（ortholog）和旁系同源物（paralog）。
如何界定这两种同源物，网上有很多详细的介绍，这里不作讨论。
然后得到这些同源物的序列，做成FASTA格式的文件。
一般通过NJ构建进化树，并且进行Bootstrap分析所得到的结果已足够。
如果序列近缘，可以再使用MP构建进化树，进行比较。
如果序列较远源，则可以做ML树比较。
使用两种方法得到的树，如果差别不大，并且Bootstrap总体较高，则得到的进化树较为可靠。