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Dynamic Meta-Storms算法：基于物种水平的生物分类学和系统发育信息对宏基因组进行全面比较

Dynamic Meta-Storms: comprehensive taxonomic and phylogenetic comparison of shotgun metagenomes at the species level

张 张玉凤*
荆 荆功超*
陈 陈俞竹
徐 徐健
苏 苏晓泉

*Contributed equally to this work 发表时间: 2021年01月10日 DOI: 10.21769/BioProtoc.2003540 浏览次数: 4252

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微生物组实验手册：架起各领域通向微生物组世界的桥梁
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摘要： 精确、全面地计算宏基因组样本之间的距离对于理解微生物组的β多样性起到至关重要的作用。目前针对宏基因组的距离计算方法往往忽略了物种之间的进化关系，抑或是舍弃掉了无法定位到系统发育树叶子结点的未知物种，从而导致对β多样性进行错误地解读。为解决以上问题，我们提出了Dynamic Meta-Storms (以下简称DMS) 算法，可基于生物分类和系统发育信息，在物种水平上对宏基因组样本进行全面地比较。在计算两个微生物组的距离时，对于其中能够精确注释到物种 (species) 水平的成分，DMS算法将这些物种映射到系统发育树的叶子结点上进行比较；而对于只能注释到属或更高水平分类信息的成分，DMS算法将其动态、合理地放置到系统发育树的虚拟中间结点上，从而最大限度地利用宏基因组的信息来计算样本之间的距离。同时，得益于并行计算技术的优化，DMS通量大且消耗资源少，在单个计算节点上计算10万个宏基因组样本的距离矩阵，仅用6.4个小时即可完成。最新版本的DMS软件可在https://github.com/qibebt-bioinfo/dynamic-meta-storms下载。输入多个宏基因组样本的物种组成后，DMS便可计算出样本之间距离矩阵 (distance matrix) ，用于后续的β多样性分析。目前DMS软件已经内置了与MetaPhlAn2兼容的生物分类信息和系统发育树，同时也支持用户自定义的生物分类信息和系统发育树。

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仪器设备

  1. DMS仅需要具有约2 GB RAM (内存) 的标准计算机即可支持用户的操作。为了获得最佳性能，我们建议您使用以下规格的计算机：
    内存：4 GB +
    CPU：4核+

软件

  1. DMS软件 (Jing et al., 2020) 可运行于Linux、Mac OS、Windows 10内置Linux子系统等类Unix操作系统中。Dynamic Meta-Storms依赖于OpenMP库来实现并行计算。常见版本的Linux系统已经安装了OpenMP，无需额外配置。在Mac OS中，需要安装支持OpenMP的编译器，建议使用homebrew软件包管理器，通过以下命令来配置OpenMP库
    brew install gcc
    DMS软件已经内置了与MetaPhlAn2 (Segata et al., 2012; Truong et al., 2015) 兼容的生物分类信息和系统发育树，其中包含了MetaPhlAn2的默认数据库中所有的细菌物种。我们建议用MetaPhlAn2对宏基因组序列进行预处理，将得到的物种名称和丰度结果作为DMS的输入来计算距离矩阵 (详见实验步骤2.1) 。DMS内置的分类信息和系统发育树同样也适用于由mOTUs、Kraken等其他软件得出来的宏基因组物种信息。同时，DMS也支持用户自定义的生物分类信息和系统发育树 (详见实验步骤3.2) 。

实验步骤

Copyright: © 2021 The Authors; exclusive licensee Bio-protocol LLC.
引用格式：张玉凤, 荆功超, 陈俞竹, 徐健, 苏晓泉. (2021). Dynamic Meta-Storms算法：基于物种水平的生物分类学和系统发育信息对宏基因组进行全面比较. // 微生物组实验手册. Bio-101: e2003540. DOI: 10.21769/BioProtoc.2003540.
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How to cite: Zhang, Y. F., Jing, G. C., Chen, Y. Z., Xu, J. and Su, X. Q. (2021). Dynamic Meta-Storms: comprehensive taxonomic and phylogenetic comparison of shotgun metagenomes at the species level . // Microbiome Protocols eBook. Bio-101: e2003540. DOI: 10.21769/BioProtoc.2003540.
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分类

系统生物学 > 微生物组学

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