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IQ-TREE：最大似然法構(gòu)建精確常遂、快速酪呻、靈活、廣泛的系統(tǒng)發(fā)育樹

IQ-TREE自2011年就已經(jīng)開發(fā)并開源斑举，至今都有專業(yè)團(tuán)隊(duì)維護(hù)，其名字來源于IQPNNI和TREE-PUZZLE的前綴，IQ-TREE具有四大特征：

• 算法高效，通過最大似然法高速高效隨機(jī)重建系統(tǒng)發(fā)育樹描睦，如RAxMl和PhyML相比類似計(jì)算時(shí)間具有較好的結(jié)果
• 超快的支持率，自檢值（bootstrap)是RAxML的10-40倍导而，同時(shí)出現(xiàn)偏見支持率值更少
• 數(shù)據(jù)分析忱叭，支持成千上萬條序列或比對(duì)位點(diǎn)的數(shù)據(jù)集分析
• 系統(tǒng)發(fā)育樹測(cè)試，有SH-aLRT和aBayes測(cè)試進(jìn)化枝今艺，樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)近似無偏見測(cè)試（approximately unbiased）

此外韵丑，IQ-TREE提供大量的構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹模型供選擇，包括四種：

• common models: 所有常見的DNA洼滚，蛋白質(zhì)埂息，密碼子的替代模型，二元和形態(tài)數(shù)據(jù)之間的比率異質(zhì)性和確定偏差校正遥巴，例如SNP數(shù)據(jù)千康。
• Partition models: 混合數(shù)據(jù)、不同基因位點(diǎn)铲掐、異質(zhì)性等分開的模型選擇
• Mixture models: 完全自定義模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/li>
• Polymorphism-aware models: 考慮物種不完整的譜系分類以推測(cè)物種樹

簡(jiǎn)單測(cè)試

說明拾弃，現(xiàn)在軟件已經(jīng)更新到version2版本，我們默認(rèn)使用iqtree調(diào)用（新版本為iqtree2）摆霉，此外本文所述均是基于命令行操作豪椿，解釋不同選項(xiàng)及對(duì)應(yīng)參數(shù)作用，網(wǎng)頁版使用過于簡(jiǎn)單携栋，可點(diǎn)擊跳轉(zhuǎn)搭盾。
輸入文件格式：phylip、fasta婉支、nexus鸯隅、clustalw

# 參數(shù)s為指定輸入比對(duì)好的文件格式，為必備的向挖，1.5.4版本默認(rèn) -m MFP自動(dòng)尋找最適模型
iqtree -s example.phy 

結(jié)果文件包括三個(gè)：
example.phy.iqtree:主要計(jì)算結(jié)果的報(bào)告文件蝌以，也包含最終構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹樹的文本展示
example.phy.treefile:NEWICK格式的ML tree，該文件可用Figtree和iTOL查看
example.phy.log:整個(gè)運(yùn)行過程的日志文件何之，記錄報(bào)錯(cuò)等信息
注意：在運(yùn)行的過程中跟畅，程序會(huì)定期將執(zhí)行進(jìn)程（結(jié)果）寫入一個(gè)gzip壓縮的example.phy.ckp.gz文件，該文件可以在出現(xiàn)程序運(yùn)行終止或遇到較大文件而內(nèi)存不足時(shí)溶推，再次使用相同的命令運(yùn)行IQ-TREE徊件，程序?qū)?huì)從上次停止的地方繼續(xù)運(yùn)行奸攻。當(dāng)然對(duì)運(yùn)行完成的結(jié)果，再次運(yùn)行會(huì)顯示當(dāng)前任務(wù)已經(jīng)成功運(yùn)行庇忌。
-redo選項(xiàng)表示覆蓋運(yùn)行之前的結(jié)果舞箍，如

iqtree -s example.phy -redo

-pre選項(xiàng)舰褪，自定義輸出結(jié)果文件前綴皆疹，默認(rèn)情況下所有輸出文件的前綴與輸入文件的名字一致，如指定myprefix為前綴：

iqtree -s example.phy -pre myprefix

如何選擇最適合模型

IQ-TREE支持針對(duì)DNA占拍、protein略就、codon等大量的模型可供選擇，但是通常情況下晃酒，我們不知道哪個(gè)模型最適合我們的數(shù)據(jù)表牢，而調(diào)用軟件內(nèi)置ModelFinder確定最合適的模型。

#for IQ-TREE version >= 1.5.4:
iqtree -s example.phy -m MFP # -m 指定模型選項(xiàng)贝次，MFP表示ModelFinder Plus(自動(dòng)默認(rèn))
#for IQ-TREE version <= 1.5.3:
iqtree -s example.phy -m TESTNEW

MFP為ModelFinder Plus的縮寫崔兴，該參數(shù)使程序執(zhí)行ModelFinder選擇最適模型并完成建樹分析。ModelFinder為許多不同的模型計(jì)算初始簡(jiǎn)約樹的邏輯概率蛔翅，并產(chǎn)生Akaike
information criterion (AIC),* corrected Akaike information criterion* (AICc), and* the Bayesian information criterion* (BIC)三個(gè)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)值敲茄，通常ModelFinder選擇BIC分?jǐn)?shù)最低的模型（當(dāng)然也可以指定AIC和AICc通過指定選項(xiàng)-AIC或者-AICc)。
此時(shí)會(huì)增加一個(gè)額外輸出結(jié)果文件：
example.phy.model:所有測(cè)試模型的對(duì)數(shù)概率值山析，它充當(dāng)檢查點(diǎn)文件堰燎，用于恢復(fù)中斷的模型選擇。
有時(shí)笋轨，我們僅僅只想知道數(shù)據(jù)分析的最適合模型并不想建樹秆剪，那么可以分別指定MF或TESTNEWONLY參數(shù)
值得注意一下，我們這里選擇ModelFinder而不調(diào)用jModelTest/ProTest爵政，其優(yōu)點(diǎn)如下：(如果仍然想用jModelFinder/ProTest仅讽，添加-m TEST或者-m TESTONLY)

image

如果序列比對(duì)文件特別長(zhǎng)（考慮添加-cmax 15，默認(rèn)為10）

用超快的bootstrap近似評(píng)估分支支持值

為了克服非參數(shù)bootstrap所需的計(jì)算負(fù)擔(dān)钾挟，IQTREE引入了ultrafast bootstrap approximation (UFBoot)提供相對(duì)公正的分支支持?jǐn)?shù)值洁灵，選項(xiàng)為- bb通常為百分比數(shù)值。

iqtree -s example.phy -m TIM2+I+G -bb 1000

與前面相比等龙，又額外增加三個(gè)輸出結(jié)果文件：
example.phy.contree:樹支持值一致的樹（consensus tree）的且分支長(zhǎng)度在原始比對(duì)上優(yōu)化過
example.phy.splits.nex:所有分割(雙分區(qū))的支持值的百分比处渣，作為引導(dǎo)樹中出現(xiàn)的頻率計(jì)算，該文件可以通過程序SplitsTree查看數(shù)據(jù)中的矛盾信號(hào)蛛砰，因此因此罐栈，該文件一致樹更能提供信息
example.phy.splits (使用-wsplits選項(xiàng)):此文件包含與example.phy.split相同的信息，格式為star-dot泥畅。
有時(shí)荠诬，-bnni減少由于嚴(yán)重的模型違規(guī)而高估了UFBoot對(duì)分支的支持風(fēng)險(xiǎn)。

評(píng)估分枝支持率使用標(biāo)準(zhǔn)的分參數(shù)bootstrap

iqtree -s example.phy -m TIM2+I+G -b 100

-b指定bootstrap的重復(fù)次數(shù)，其中100為推薦的推薦的最小數(shù)柑贞。輸出結(jié)果文件與UFBoot過程生成的文件相似方椎。

使用單個(gè)分枝測(cè)試評(píng)估分枝支持值

IQ-TREE提供一個(gè)SH類近似似然比測(cè)試，-alrt指定SH-aLRT的bootstrap的重復(fù)個(gè)數(shù)钧嘶，1000為最下的棠众。

iqtree -s example.phy -m TIM2+I+G -alrt 1000
iqtree -s example.phy -m TIM2+I+G -alrt 1000 -bb 1000

CPUs核心線程的利用

IQ-TREE可以利用多個(gè)CPU核來加速分析。選項(xiàng)-nt允許指定要使用的CPU內(nèi)核數(shù)量

iqtree -s example.phy -m TIM2+I+G -nt 2
iqtree -s example.phy -m TIM2+I+G -nt AUTO #通常使用這個(gè)
iqtree -s example.phy -m TIM2+I+G -nt AUTO -ntmax 8 #cpu的上限為8核心線程

后記有决，以上主要介紹了iqtree軟件關(guān)于輸入文件闸拿、輸出文件的介紹及解讀，同時(shí)詳細(xì)介紹了不同選項(xiàng)及參數(shù)的功能书幕。

關(guān)于特異性指定替換模型

-m是指定替代模型新荤、狀態(tài)頻率和速率異質(zhì)性類型的實(shí)用選項(xiàng)。一般的語法是：

-m MODEL+FreqType+RateType

MODEL：model name
+FreqType：(可選項(xiàng))frequency type
+RateType：(可選項(xiàng))rate heterogeneity type

參見下圖：

MODEL：

image

FreqType：

image

RateType：

image

IQ-TREE官網(wǎng)鏈接：http://iqtree.cibiv.univie.ac.at/