怎么使用R語言ggtree展示進化樹

# 怎么使用R語言ggtree展示進化樹

## 1. 引言

進化樹（Phylogenetic Tree）是生物信息學中用于展示物種或基因間進化關系的樹狀結構圖。R語言中的`ggtree`包（基于`ggplot2`生態系統）提供了高度靈活的可視化功能，能夠幫助研究者快速繪制美觀且信息豐富的進化樹。本文將詳細介紹如何使用`ggtree`包從基礎到進階展示進化樹。

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## 2. 安裝與加載

首先需要安裝并加載必要的R包：

```r
# 安裝Bioconductor（如果尚未安裝）
if (!require("BiocManager", quietly = TRUE))
    install.packages("BiocManager")

# 安裝ggtree及相關擴展包
BiocManager::install("ggtree")
BiocManager::install("treeio")  # 用于樹文件讀取

# 加載包
library(ggtree)
library(ggplot2)
library(treeio)  # 支持多種樹文件格式

3. 數據準備

3.1 輸入文件格式

ggtree支持多種樹文件格式： - Newick (.nwk或.treefile) - NEXUS (.nex或.nxs) - PhyloXML (.xml)

3.2 示例數據

使用內置的ape包生成隨機樹或加載示例文件：

# 生成隨機樹
set.seed(42)
random_tree <- ape::rtree(10)
write.tree(random_tree, "random_tree.nwk")

# 讀取樹文件
tree <- read.tree("random_tree.nwk")

4. 基礎繪圖

4.1 繪制最簡單的樹

ggtree(tree) + 
  geom_tiplab() +  # 添加末端節點標簽
  theme_tree2()    # 使用經典主題

4.2 調整布局

ggtree支持多種布局： - "rectangular"（默認） - "circular" - "slanted"

ggtree(tree, layout = "circular") + 
  geom_tiplab(aes(angle = 0))  # 圓形布局需調整標簽角度

5. 節點與分支修飾

5.1 高亮分支

通過aes(color)或geom_hilight()實現：

ggtree(tree) +
  geom_hilight(node = 15, fill = "steelblue", alpha = 0.3) +  # 高亮節點
  geom_cladelab(node = 15, label = "Clade A", align = TRUE)   # 添加分支標簽

5.2 調整分支顏色與線型

ggtree(tree) +
  geom_edge(aes(color = branch.length)) +  # 按分支長度著色
  scale_edge_color_gradient(low = "darkgreen", high = "red")

6. 添加注釋信息

6.1 熱圖注釋

結合ggtree和ggnewscale添加熱圖：

# 生成模擬數據
heatmap_data <- data.frame(
  Gene = paste0("Gene_", 1:10),
  Value = runif(10)
)

ggtree(tree) %<+% heatmap_data +  # 關聯數據
  geom_tiplab() +
  geom_tile(aes(x = 11, y = label, fill = Value),  # 添加熱圖
    data = heatmap_data, width = 0.5, height = 0.1
  )

6.2 條形圖注釋

ggtree(tree) + 
  geom_facet(
    panel = "Barplot", 
    data = heatmap_data, 
    geom = geom_col, 
    aes(x = Value), 
    orientation = "y"
  )

7. 進階功能

7.1 多樹比對

使用treeio::read.multiTree()和ggtree::mapply：

trees <- list(tree1 = tree, tree2 = ape::rtree(10))
ggtree(trees[[1]]) + facet_wrap(~.id, ncol = 2)

7.2 時間尺度樹

通過scale_x_continuous()添加時間軸：

ggtree(tree) + 
  geom_tiplab() + 
  scale_x_continuous(breaks = seq(0, 10, 1), name = "Time (MYA)")

8. 導出圖形

使用ggsave()保存高質量圖片：

ggsave("phylogenetic_tree.pdf", width = 10, height = 8, dpi = 300)

9. 常見問題解決

9.1 標簽重疊

• 使用geom_tiplab(offset = 0.1)增加標簽偏移
• 或geom_tiplab2()用于圓形布局

9.2 大型樹優化

• 使用ggtree(tree, size = 0.5)減小線條粗細
• 分塊渲染（facet_plot()）

10. 結語

ggtree為進化樹可視化提供了強大的工具鏈，結合ggplot2的語法可以輕松實現復雜注釋。更多功能可參考： - 官方文檔：https://yulab-smu.top/treedata-book/ - GitHub倉庫：https://github.com/YuLab-SMU/ggtree

提示：本文代碼需R 4.0+和ggtree 3.0+版本支持。 “`

文章說明：
1. 全文約2000字，涵蓋從安裝到進階應用的全流程
2. 使用代碼塊和分段標題提高可讀性
3. 關鍵步驟配有可視化效果說明
4. 可通過擴展案例（如添加地理分布、基因功能注釋）進一步豐富內容