一烟逊、多樣性指數(shù)介紹

多樣性指數(shù)：是指物種多樣性測(cè)定铺根。

主要有三個(gè)空間尺度：α多樣性，β多樣性眷唉，γ多樣性囤官。??

每個(gè)空間尺度的環(huán)境不同測(cè)定的數(shù)據(jù)也不相同党饮。

α多樣性：主要關(guān)注局域均勻生境下的物種數(shù)目驳庭，因此也被稱(chēng)為生境內(nèi)的多樣性（within-habitatdiversity）。

群落生態(tài)學(xué)中研究微生物多樣性蹲堂，通過(guò)單樣品的多樣性分析（α[Alpha]多樣性）可以反映微生物群落的豐度和多樣性柒竞，包括一系列統(tǒng)計(jì)學(xué)分析指數(shù)估計(jì)環(huán)境群落的物種豐度和多樣性。

β多樣性：指沿環(huán)境梯度不同生境群落之間物種組成的的相異性或物種沿環(huán)境梯度的更替速率也被稱(chēng)為生境間的多樣性（between-habitatdiversity）布隔，控制β多樣性的主要生態(tài)因子有土壤稼虎、地貌及干擾等霎俩。

β多樣性意義：

①它可以指示生境被物種隔離的程度；

②β多樣性的測(cè)定值可以用來(lái)比較不同地段的生境多樣性排苍；

③β多樣性與α多樣性一起構(gòu)成了總體多樣性或一定地段的生物異質(zhì)性学密。?

群落生態(tài)學(xué)中研究微生物多樣性腻暮，β（Beta）多樣性是對(duì)不同樣品/不同組間樣品的微生物群落構(gòu)成進(jìn)行比較分析。

γ多樣性：描述區(qū)域或大陸尺度的多樣性具垫，是指區(qū)域或大陸尺度的物種數(shù)量试幽，也被稱(chēng)為區(qū)域多樣性（regionaldiversity）铺坞。控制γ多樣性的生態(tài)過(guò)程主要為水熱動(dòng)態(tài)坯沪，氣候和物種形成及演化的歷史擒滑。

群落生態(tài)學(xué)中研究微生物多樣性，γ多樣性分析是指α多樣性與β多樣性相結(jié)合的分析藻糖。

二巨柒、α多樣性指數(shù)

1.計(jì)算菌群豐度（Community richness）的指數(shù)

a) Chao- the Chao1 estimator

Chao：是用chao1算法估計(jì)樣品中所含OTU數(shù)目的指數(shù)，chao1在生態(tài)學(xué)中常用來(lái)估計(jì)物種總數(shù)疹鳄，由Chao(1984) 最早提出芦岂。

Chao計(jì)算公式及說(shuō)明

利用chao指數(shù)評(píng)估一個(gè)樣本中OTU數(shù)目多少禽最，chao指數(shù)越大川无，OTU數(shù)目越多，說(shuō)明該樣本物種數(shù)比較多晾虑。

b）Ace - the ACE estimator

Ace：用來(lái)估計(jì)群落中OTU數(shù)目的指數(shù)仅叫，由Chao提出诫咱，是生態(tài)學(xué)中估計(jì)物種總數(shù)的常用指數(shù)之一，與Chao1的算法不同竟痰。

Ace計(jì)算公式及說(shuō)明

2. 計(jì)算菌群多樣性（Communitydiversity）的指數(shù)

a) Shannon- the Shannon index

Shannon：用來(lái)估算樣品中微生物多樣性指數(shù)之一坏快。它與Simpson多樣性指數(shù)常用于反映alpha多樣性指數(shù)哄尔。Shannon值越大岭接，說(shuō)明群落多樣性越高。

Shannon計(jì)算公式及說(shuō)明

b）Simpson - the Simpson index

Simpson：用來(lái)估算樣品中微生物多樣性指數(shù)之一啃沪，由EdwardHugh Simpson ( 1949) 提出创千，在生態(tài)學(xué)中常用來(lái)定量描述一個(gè)區(qū)域的生物多樣性入偷。

Simpson計(jì)算公式及說(shuō)明

3. 測(cè)序深度指數(shù)

a)Coverage- the Good’s coverage

Coverage：是指各樣品（克率柚）文庫(kù)的覆蓋率，其數(shù)值越高丙曙，則樣品中序列被測(cè)出的概率越高亏镰，而沒(méi)有被測(cè)出的概率越低拯爽。該指數(shù)反映本次測(cè)序結(jié)果是否代表了樣品中微生物的真實(shí)情況。

Coverage公式及說(shuō)明

三逼肯、與物種多樣性相關(guān)的曲線

1.稀釋性曲線（Rarefaction curve）

稀釋曲線是從樣品中隨機(jī)抽取一定數(shù)量的個(gè)體汉矿，統(tǒng)計(jì)這些個(gè)體所代表的物種數(shù)目备禀，并以個(gè)體數(shù)與物種數(shù)來(lái)構(gòu)建曲線曲尸。它可以用來(lái)比較測(cè)序數(shù)據(jù)量不同的樣品中物種的豐富度，也可以用來(lái)說(shuō)明樣品的測(cè)序數(shù)據(jù)量是否合理纽乱。采用對(duì)序列進(jìn)行隨機(jī)抽樣的方法鸦列，以抽到的序列數(shù)與它們所能代表OTU的數(shù)目構(gòu)建rarefactioncurve，當(dāng)曲線趨向平坦時(shí)顽爹，說(shuō)明測(cè)序數(shù)據(jù)量合理骆姐，更多的數(shù)據(jù)量只會(huì)產(chǎn)生少量新的OTU玻褪，反之則表明繼續(xù)測(cè)序還可能產(chǎn)生較多新的OTU。因此同规，通過(guò)作稀釋性曲線庸诱，可得出樣品的測(cè)序深度情況桥爽。

稀釋性曲線示意圖

2. Shannon-Wiener曲線

Shannon-Wiener是反映樣品中微生物多樣性的指數(shù)，利用各樣品的測(cè)序量在不同測(cè)序深度時(shí)的微生物多樣性指數(shù)構(gòu)建曲線盗扒，以此反映各樣品在不同測(cè)序數(shù)量時(shí)的微生物多樣性侣灶。當(dāng)曲線趨向平坦時(shí)缕碎，說(shuō)明測(cè)序數(shù)據(jù)量足夠大咏雌，可以反映樣品中絕大多數(shù)的微生物信息。

Shannon-Wiener曲線示意圖

3. Rank-Abundance曲線

Rank-abundance曲線是分析多樣性的一種方式统倒。構(gòu)建方法是統(tǒng)計(jì)單一樣品中房匆，每一個(gè)OTU所含的序列數(shù)，將OTUs按豐度（所含有的序列條數(shù)）由大到小等級(jí)排序井氢，再以O(shè)TU等級(jí)為橫坐標(biāo)赚楚，以每個(gè)OTU中所含的序列數(shù)（也可用OTU中序列數(shù)的相對(duì)百分含量）為縱坐標(biāo)做圖宠页。?

Rank-abundance曲線可用來(lái)解釋多樣性的兩個(gè)方面寇仓，即物種豐度和物種均勻度遍烦。在水平方向，物種的豐度由曲線的寬度來(lái)反映供填，物種的豐度越高罢猪，曲線在橫軸上的范圍越大膳帕；曲線的形狀（平滑程度）反映了樣品中物種的均度危彩，曲線越平緩，物種分布越均勻娩缰。

OTU Rank-Abundance曲線示意圖

4. Specaccum物種累積曲線

物種累積曲線( species accumulation curves)：是用于描述隨著樣品量的加大物種增加的狀況拼坎，是調(diào)查樣品的物種組成和預(yù)測(cè)樣品中物種豐度的有效工具狱掂，在生物多樣性和群落調(diào)查中趋惨，被廣泛用于樣品量是否充分的判斷以及物種豐富度(species richness) 的估計(jì)。因此讯嫂，通過(guò)物種累積曲線不僅可以判斷樣品量是否充分欧芽，在樣品量充分的前提下，運(yùn)用物種累積曲線還可以對(duì)物種豐富度進(jìn)行預(yù)測(cè)（默認(rèn)在同類(lèi)樣品量大于10個(gè)分析）憎妙。

物種累積曲線示意圖

四曲楚、與物種組成相關(guān)的圖表

1.優(yōu)勢(shì)物種相對(duì)豐度圖

根據(jù)OTU注釋結(jié)果分別在各個(gè)分類(lèi)水平：domain（域）龙誊，kingdom（界）趟大，phylum（門(mén)），class（綱）罕伯，order（目）惋耙，family（科）绽榛，genus（屬），species（種）統(tǒng)計(jì)各樣品的物種相對(duì)豐度并作圖推溃。?

在結(jié)果中届腐，包含了兩個(gè)信息：–樣品中含有何種微生物铁坎；–樣品中各微生物的序列數(shù)，即各微生物的相對(duì)豐度犁苏。

因此硬萍，可以使用統(tǒng)計(jì)學(xué)的分析方法，觀測(cè)樣品在不同分類(lèi)水平上的群落結(jié)構(gòu)围详。將多個(gè)樣品的群落結(jié)構(gòu)分析放在一起對(duì)比時(shí)朴乖，還可以觀測(cè)其變化情況祖屏。根據(jù)研究對(duì)象是單個(gè)或多個(gè)樣品，結(jié)果可能會(huì)以不同方式展示买羞。通常使用較直觀的餅圖或柱狀圖等形式呈現(xiàn)。群落結(jié)構(gòu)的分析可在任一分類(lèi)水平進(jìn)行畜普。

物種組成柱狀圖示意圖

2. 優(yōu)勢(shì)物種Heatmap圖

Heatmap可以用顏色變化來(lái)反映二維矩陣或表格中的數(shù)據(jù)信息期丰，它可以直觀地將數(shù)據(jù)值的大小以定義的顏色深淺表示出來(lái)。常根據(jù)需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行物種或樣品間豐度相似性聚類(lèi)吃挑，將聚類(lèi)后數(shù)據(jù)表示在heatmap圖上钝荡，可將高豐度和低豐度的物種分塊聚集，通過(guò)顏色梯度及相似程度來(lái)反映多個(gè)樣品在各分類(lèi)水平上群落組成的相似性和差異性儒鹿。

Heatmap示意圖

3. OTU分布Venn圖

Venn 圖可用于統(tǒng)計(jì)多個(gè)樣品中所共有和獨(dú)有的OTU數(shù)目化撕，可以比較直觀的表現(xiàn)環(huán)境樣品的OTU數(shù)目組成相似性及重疊情況。

Venn示意圖

4. 單樣品多級(jí)物種組成圖

單樣品多級(jí)物種組成圖通過(guò)多個(gè)同心圓由內(nèi)向外直觀地展現(xiàn)出單個(gè)樣品在域约炎、門(mén)、綱蟹瘾、目圾浅、科等分類(lèi)學(xué)水平的物種比例和分布。

單樣本多級(jí)物種組成圖示意圖