FAPROTAX分析：R语言实现微生物群落功能注释分析及可视化

时间：2024-06-01 16:41:44

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原核生物分类单元功能注释 Functional Annotation of Prokaryotic Taxa (FAPROTAX)是美国俄勒冈大学生物学系Louca实验室开发的一个数据库，该数据库利用当前有关培养菌株的文献，将原核分支（如属或种）映射到已建立的代谢或其他生态相关功能。

FAPROTAX概要：

  • 80多种功能，如硝酸盐呼吸、产甲烷、发酵或植物致病。

  • 7600多个功能注释，涵盖4600多个分类群。

  • 利用文献包括贝格雷的系统细菌学手册、原核生物和国际系统细菌学杂志。

FAPROTAX的潜在应用：

  • 16S标记基因数据的生态学解释。

  • 用于功能社区分析的环境鸟枪测序（宏基因组学）的廉价替代品。

  • 补充宏基因组学，例如解决社区基因内容解释中的歧义。

  • 快速识别具有特定代谢表型（例如所有已知或假定的产甲烷菌）的样本中的分类群。

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FAPROTAX包括一个软件，用于根据样本中确定的分类群，将分类微生物群落特征（例如，以OTU表的形式）转换为假定的功能特征。Louca实验室基于python开发了配套软件，官方软件地址：http://www.loucalab.com/

今天我们使用R语言实现FAPROTAX原核生物分类单元的功能注释分析，接下来我们来进行分析和可视化展示：

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Step1：数据载入

rm(list=ls())pacman::p_load(tidyverse,microeco,aplot,ggsci)
feature_table <- read.csv('feature_table.csv', row.names = 1)sample_table <- read.csv('sample_table.csv', row.names = 1)tax_table <- read.csv('tax_table.csv', row.names = 1)

Step2：构建microtable对象

# 创建microtable对象dataset <- microtable$new(sample_table = sample_table,                          otu_table = feature_table,                           tax_table = tax_table)

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这里的操作与前面介绍的几期内容一致：R语言实战：microeco包轻松实现微生物组LEfSe分析；随机森林分析：R包microeco实现微生物组随机森林分析及重要变量的选择

Step3：执行FAPROTAX注释分析

t2 <- trans_func$new(dataset)t2$cal_spe_func(prok_database = "FAPROTAX")t2$res_spe_func[1:5, 1:2]
# 具有相同特征的OTU的百分比可以反映该功能在群落中的功能冗余程度。t2$cal_spe_func_perc(abundance_weighted = FALSE)t2$res_spe_func_perc[1:5, 1:2]

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原作者在文章Decoupling function and taxonomy in the global ocean microbiome（DOI: 10.1126/science.aaf4507）中使用气泡图对注释结果进行可视化：

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我们这里同样使用气泡图展示注释分析结果：

Step4：气泡图展示注释结果

t2$res_spe_func_perc %>%   select(1:30) %>%   scale() %>%   as.data.frame() %>%   rownames_to_column('sample') %>%   melt(id.vars = 'sample') %>%   ggplot(aes(sample, variable)) +  labs(x="",y="") +   geom_point(aes(size=abs(value),color=value)) +  scale_size_area(max_size = 2) +  scale_color_gsea() +  theme_classic(base_size = 4.5) +  theme(axis.text.x=element_text(angle=45,vjust=1, hjust=1))ggsave('pic_bo_cor.png', width = 7, height = 4)

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当然，也可以参考microeco包作者推荐的分析和可视化方案，将微生物模块化分组，结合功能注释分析，有助于找到核心的特征微生物。

Step5：展示网络模块中每个特征的OTU百分比

network <- trans_network$new(dataset = dataset,                              cal_cor = "base",                              taxa_level = "OTU",                              filter_thres = 0.0001,                              cor_method = "spearman")network$cal_network(p_thres = 0.01, COR_cut = 0.7)network$cal_module()# convert module info to microtable objectmeco_module <- network$trans_comm(use_col = "module")meco_module_func <- trans_func$new(meco_module)meco_module_func$cal_spe_func(prok_database = "FAPROTAX")meco_module_func$cal_spe_func_perc(abundance_weighted = FALSE)meco_module_func$plot_spe_func_perc(order_x = paste0("M", 1:10))

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Step6：群落功能与环境因子相关性

t3 <- trans_env$new(dataset = dataset,                     add_data = env_data_16S[, 4:11])
t3$cal_cor(add_abund_table = t2$res_spe_func_perc,            cor_method = "spearman")
t3$plot_cor(pheatmap = T)

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