扩增子-α多样性分析

扩增子-α多样性分析

一、α多样性的概念

一个特定区域生态环境下的物种数目，因此也被称为生境内的多样性，即样品内部的物种多样性，与其他样品无关。

二、α多样性指数

环境微生物研究中，通常用一系列统计学分析指数来表示α多样性，分类如下:

1、丰富度：物种丰富度（Species Richness，S），即观察到的物种数（OTU 数目）。系统中物种的观察值是其真实物种丰富度的有偏估计值，并且观察值会随着取样的增加呈非线性的增长。对物种数进行比较时，需要相同的样本大小（sample size）。不考虑群落中每个物种的丰度情况，Species Richness（S）数值越大，说明样品中物种越丰富。

（1）Chao1：是用chao1算法估计样本OTU的数量的指数，由Chao (1984) 最早提出。Chao1 值越大代表物种总数越多。

（2）ACE：用来估计群落中OTU 数目的指数，由Chao 提出，是生态学中估计物种总数的常用指数之一，与Chao 1 的算法不同。

2、丰富度和均匀度：α多样性里的Shannon指数、Simpson指数、Dominance、PD whole tree 综合考虑群落物种的丰富度和均匀度。相同物种丰富度的情况下，群落中各物种具有越大的均匀度，则认为群落具有越大的多样性。

（1）Shannon-Winner：用来描述种的个体出现的紊乱和不确定性，不确定性越高，多样性也就越高。指数中包含两个因素：

a、种类数目，即丰富度；

b、种类中个体分配上的均匀性（evenness）。种类数目多，可增加多样性；同样，种类之间个体分配的均匀性增加也会使多样性提高。

（2）Simpson：用来估算样品中微生物多样性指数之一，有Edward Hugh Simpson（1949）提出，反映了当随机取样，取到是不同物种的概率大小。Simpon 多样性指数值越大，说明群落多样性越高。

（3）PD_whole_tree：基于系统发育树来计算的一种多样性指数，它用各个样品中OTUs 的代表序列构建出系统发育树的距离，将某一个样品中的所有代表序列的枝长加和，从而得到的数值。数值越大，群落多样性越高。

三、指数组间差异检验

基于每个样品重抽样所得alpha多样性参数，可进行alpha多样性指数组间差异分析，箱形图可以直观的反应组内物种多样性的中位数、离散程度、最大值、最小值、异常值。同时，通过T-test检验、wilcox秩和检验和Tukey检验（只有2个分组时进行T-test和wilcox 秩和检验，分组大于2时进行Tukey检验和wilcox秩和检验）评估不同分组间多样性指数是否有显著性差异。

多样性指数差异分析箱形图

四、稀释性曲线

从样品中随机抽取一定序列数，统计抽到的这些序列所代表物种数目(也即是OTU 数目)或多样性指数，并以序列数（横坐标）与物种数或多样性指数（纵坐标）来构建曲线。

样品曲线的延伸终点对应的的横坐标位置为该样品的测序数量，若多样性指数为observed_species 指数（表征实际观测到的物种数目），当曲线趋向平坦时，说明测序数据量足够，更多的数据量只会产生少量新的物种（也即是OTU），反之则表明继续测序还可

能产生较多新的物种。若是其他多样性指数（如shannon 曲线），曲线趋向平坦时，说明测序数据量足够大，可以反映样品中绝大多数的微生物多样性信息。

稀释曲线

五、Rank-Abundance 曲线

将样品中的OTU 按相对丰度(或者包含的序列数目)由大到小排序得到对应的排序编号，再以OTU 的排序编号为横坐标，OTU 中的相对丰度（也可用该等级OTU 中序列数的相对百分含量）为纵坐标，将这些点用折线连接，即绘制得到Rank Abundance曲线。

曲线可直观反映样品多样性的两个方面，即样品所含物种的丰富程度和均匀程度。物种的丰富程度由曲线在横轴上的长度来反映，曲线越宽，表示物种的组成越丰富；物种组成的均匀程度由曲线的形状来反映，曲线越平坦，表示物种组成的均匀程度越高。

Rank-Abundance曲线