ggplot2版聚类物种丰度堆叠图

文章目录

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加载依赖关系
导入数据
ggtree绘制聚类树
物种组成数据
- 整理成facet需要的格式
- 保证颜色填充独立性
- 分面组合树和柱图
- 修改配色
- ggtree调整布局
- 添加样本其他信息
- 树+柱+堆叠图组合
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随着研究的逐渐深入，我们对绘图的要求越来越高，各种之前使用的较少的图形如今追求热度和新颖程度，都开始逐渐在大文章中显现。如下图。

这是最近刚发表于Nature Ecology & Evolution中的图1b。如何绘制呢？

Thorsten Thiergart, Paloma Durán, Thomas Ellis, Nathan Vannier, Ruben Garrido-Oter, Eric Kemen, Fabrice Roux, Carlos Alonso-Blanco, Jon Ågren, Paul Schulze-Lefert & Stéphane Hacquard. Root microbiota assembly and adaptive differentiation among European Arabidopsis populations. Nature Ecology & Evolution 4, 122-131, doi:10.1038/s41559-019-1063-3 (2020).

这次的聚类加物种丰度展示让我们学习一波。之前推出了用R语言的plot绘制的教程。

R语言绘制带聚类树的堆叠柱形图

但修改细节仍比较麻烦。今天更新基于ggplot2系统的教程。

加载依赖关系

这里的ggtree需要使用19年7月以后的版本，因为这以后的版本才支持将聚类结果转化为树结构。

如果你的Bioconductor版本较旧，可能一直会安装旧版ggtree。升新方法如下：

## 先卸载先前的安装控制程序
remove.packages(c("BiocInstaller", "BiocManager", "BiocVersion"))## 再安装新版程序
install.packages("BiocManager")
BiocManager::install(update=TRUE, ask=FALSE)

library("ggplot2")
library("ggdendro")
# library(remotes)
library(phyloseq)
library(tidyverse)
library(ggtree)
library( ggstance)
# library(amplicon)
vegan_otu =  function(physeq){OTU =  otu_table(physeq)if(taxa_are_rows(OTU)){OTU =  t(OTU)}return(as(OTU,"matrix"))
}vegan_tax <-  function(physeq){tax <-  tax_table(physeq)return(as(tax,"matrix"))
}

导入数据

# 从R数据文件中读入
# ps = readRDS("data/ps_liu.rds")# 从文件读取
metadata = read.table("http://210.75.224.110/github/EasyAmplicon/data/metadata.tsv", header=T, row.names=1, sep="\t", comment.char="", stringsAsFactors = F)
otutab = read.table("http://210.75.224.110/github/EasyAmplicon/data/otutab.txt", header=T, row.names=1, sep="\t", comment.char="", stringsAsFactors = F)
taxonomy = read.table("http://210.75.224.110/github/EasyAmplicon/data/taxonomy.txt", header=T, row.names=1, sep="\t", comment.char="", stringsAsFactors = F)# 提取两个表中共有的ID
# Extract only those ID in common between the two tables
idx = rownames(otutab) %in% rownames(taxonomy)
otutab = otutab[idx,]
taxonomy = taxonomy[rownames(otutab),]# 使用amplicon包内置数据
# data("metadata")
# data(otutab)# 导入phyloseq(ps)对象
ps = phyloseq(sample_data(metadata),otu_table(as.matrix(otutab), taxa_are_rows=TRUE), tax_table(as.matrix(taxonomy)))

ggtree绘制聚类树

# 样本间距离类型：Bray-Curtis
dist = "bray"
# phyloseq(ps)对象标准化
ps1_rela = transform_sample_counts(ps, function(x) x / sum(x) )
# 导出OTU表
otu = as.data.frame(t(vegan_otu(ps1_rela)))
# 预览
otu[1:3,1:3]
#计算距离矩阵
unif = phyloseq::distance(ps1_rela , method=dist)
# 聚类树，method默认为complete
hc <- hclust(unif, method = "complete")
# 对树分组
clus <- cutree(hc, 3)
# 提取树中分组的标签和分组编号
d = data.frame(label = names(clus), member = factor(clus))
# 提取样本元数据
map = as.data.frame(sample_data(ps))
# 合并树信息到样本元数据
dd = merge(d,map,by = "row.names",all = F)
row.names(dd) = dd$Row.names
dd$Row.names = NULL
dd[1:3,1:3]# ggtree绘图 #----
p  = ggtree(hc) %<+% dd + geom_tippoint(size=5, shape=21, aes(fill=factor(Group), x=x)) + # geom_tiplab(aes(label=Group), size=3, hjust=.5) +geom_tiplab(aes(color = Group,x=x*1.2), hjust=1)# theme_dendrogram(plot.margin=margin(6,6,80,6))# 这是聚类图形的layout
p

物种组成数据

# 指定物种组成的选项
i = ps # 指定输入数据
j = "Phylum" # 使用门水平绘制丰度图表
rep = 6 # 重复数量是6个
Top = 10 # 提取丰度前十的物种注释
tran = TRUE # 转化为相对丰度值

# 按照分类学门(j)合并
psdata = i %>% tax_glom(taxrank = j)# 转化丰度值
if (tran == TRUE) {psdata = psdata%>% transform_sample_counts(function(x) {x/sum(x)} )
}#--提取otu和物种注释表格
otu = otu_table(psdata)
tax = tax_table(psdata)
tax[1:3,1:7]#--按照指定的Top数量进行筛选与合并
for (i in 1:dim(tax)[1]) {if (row.names(tax)[i] %in% names(sort(rowSums(otu), decreasing = TRUE)[1:Top])) {tax[i,j] =tax[i,j]} else {tax[i,j]= "Other"}
}
tax_table(psdata)= tax##转化为表格
Taxonomies <- psdata %>% psmelt()
# head(Taxonomies)
Taxonomies$Abundance = Taxonomies$Abundance * 100

整理成facet需要的格式

这里的格式也很简单，就是需要一列“id”，这里我们将样本名修改为id，即可

# colnames(Taxonomies)[1] = "id"
Taxonomies$OTU = NULL
colnames(Taxonomies)[1] = "id"

保证颜色填充独立性

因为我们颜色填充有好几种方式，所以需要对每种颜色填充保重独立性，使用ggnewscale，这也是Y叔的包。

library(ggnewscale)
p <- p + new_scale_fill()
p

分面组合树和柱图

p3 <- facet_plot(p, panel = 'Stacked Barplot', data = Taxonomies, geom = geom_barh,mapping = aes(x = Abundance, fill = as.factor(Phylum)),color = "black",stat='identity' )
p3

修改配色

colbar <- dim(unique(dplyr::select(Taxonomies, one_of(j))))[1]
colors = colorRampPalette(c("#CBD588", "#599861", "orange","#DA5724", "#508578", "#CD9BCD","#AD6F3B", "#673770","#D14285", "#652926", "#C84248","#8569D5", "#5E738F","#D1A33D", "#8A7C64","black"))(colbar)
p3 + scale_fill_manual(values = colors)

ggtree调整布局

修改layout，设置中空等。

p = ggtree(hc,layout="fan", branch.length = "none", ladderize = FALSE) %<+% dd + geom_tippoint(size=5, shape=21, aes(fill=factor(Group), x=x)) + geom_tiplab(aes(color = Group,x=x*1.2), hjust=1)
p = p + xlim(-4,NA)
p

添加样本其他信息

如添加样品测序量柱状图、数值标签

p <- ggtree(hc) + theme_tree2()
p

head(dd)
dd$sequencenum = sample_sums(ps)
dd
data = data.frame(id = row.names(dd),sequencenum = dd$sequencenum )
head(data)
# p3
#---------添加序列
p2 <- facet_plot(p, panel = 'Number Barplot', data = dd , geom = geom_barh,mapping = aes(x = sequencenum ,fill = Group),stat='identity' )
p2

facet_plot(p2, panel='Stacked Barplot',data=dd, geom=geom_text, mapping=aes(x=sequencenum+20, label=sequencenum))

树+柱+堆叠图组合

p3 <- facet_plot(p2, panel = 'Abundance Barplot', data = Taxonomies, geom = geom_barh,mapping = aes(x = Abundance, fill = as.factor(Phylum)),color = "black",stat='identity' )
p3

撰文：五谷杂粮

责编：刘永鑫中科院遗传发育所

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