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微生物群落构建过程的空间可视化方法   

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摘要:基于零模型的微生物群落构建过程判别方法et al.(Stegen et al., 2013) 已被广泛运用于多种生境中微生物群落构建机制的研究。在微生物地理学研究中,该方法的直接结果能反映各种生态过程在研究区域中的相对比例。但是,如不进一步对群落构建过程的地理空间分布格局进行表征,则会使得对微生物群落构建机制的认识趋于笼统化。本教程详述了应用ArcGIS等软件将成对样点间微生物群落构建过程映射到地图的分析流程,不仅能展示各种生态过程的相对重要性,同时能清晰表征其在整个研究区域的地理空间分布格局,从而加深研究者对微生物群落构建过程空间异质性的认识。

关键词: 微生物群落, 群落构建, 空间分布, 可视化

仪器设备

个人电脑 (安装Windows 10操作系统)

软件

  1. ArcGIS (v10.4):https://desktop.arcgis.com/
  2. Microsoft Office Excel (v2016)

实验步骤

Stegen零模型方法的最终计算结果为βNTI (β-Nearest Taxon Index,最近种间指数) 和RCBray (基于Bray-Curtis非相似性的Raup-Crick指数) 数值矩阵 (Stegen et al., 2013),能反映主导成对样本间微生物群落周转的各种生态过程,即群落构建过程。将成对采样站位之间的微生物群落构建过程映射在地图上,即可反映出研究区域中各种生态过程的地理空间分布格局。本教程用成对站位间不同颜色的连线来表示站位间的各类生态过程,操作步骤如下:

  1. 示例数据来源
    本教程描述的微生物群落构建过程空间可视化方法由本课题组首次提出并应用 (Wang et al., 2019),因此以该论文中的部分数据作为示例数据。示例数据可从Github获取:https://github.com/huizhen-yan/Huizhen-BioProtocol
  2. 将采样站位经纬度表在Excel中转换为成对站位表,随后在ArcGIS中通过XY ToLine工具 (Esri, Redlands, CA) 生成采样站位成对连线图层
    2.1
    组织采样站位经纬度表 (使用Excel)
    将站位经纬度坐标转换为十进制。将站位编号、纬度和经度三列合并一列并用逗号分隔 (图1中D列),复制D列至E列。对D和E列进行成对排列组合,生成F列 (图1)。D和E列组合操作如下:鼠标右击图1采样站位经纬度表所在工作簿→查看代码→弹出Microsoft Visual Basic for Applications (VBA) 窗口,运用如下宏代码 (图2),运行结束后即出现F列。宏代码可从Github获取:https://github.com/huizhen-yan/Huizhen-BioProtocol


    1. 采样站位经纬度表


    2. 两列组合宏代码 (改编自Excel 880.com)

    2.2
    整理成对站位经纬度表,准备导入ArcGIS
    对图1中的F列进行分列后共包含6列,分别是起始站位编号 (StaionStart)、起始站位纬度 (StartY)、起始站位经度 (StartX)、终点站位编号(StationEnd)、终点站位纬度 (EndY) 和终点站位经度 (EndX)。然后添加SID列 (图3中A列) 作为唯一值,用于后续表格链接。


    3. 采样站位成对排列 (分列后)

    2.3
    在ArcGIS中使用XY To Line工具将成对采样站位连线转换为地图图层
    在ArcMap 10.4中调用ArcToolbox→Data Management Tools→Features→XY To Line,XY To Line工具参数设置如图4所示。导入步骤2.2中得到的成对站位经纬度表,StartX和StartY对应起始站位的经度和纬度,EndX和EndY对应终点站位的经度和纬度,Line Type选择默认推荐线形GEODESIC,ID是指在XY To Line中输入的图3所示表格中的SID列,Spatial Reference是指空间坐标系统,应当与已导入ArcMap中的地图图层保持一致,随后生成采样站位成对连线图 (图5)。


    4. ArcGIS XY To Line工具参数设置


    5. 成对站位连线图

  3. 将βNTI和RCBray数值矩阵在Excel中转换为成对站位表,并整理群落构建过程属性表
    利用Excel中Power Query编辑器 (点击数据→从表格;不同Office版本调用方式略有不同),选中首列,随后点击转换→逆透视列→逆透视其他列,将βNTI和RCBray数值矩阵转换为成对站位表 (图6)。随后,使用Excel“筛选”功能设置βNTI和RCBray值区间进行批量筛选,将βNTI > 2的行填充为HeterogeneousSelection,将βNTI < -2的行填充为HomogeneousSelection;当|βNTI| ≤ 2时,将RCBray > 0.95的行填充为DispersalLimitation,将RCBray < -0.95的行填充为HomogenizingDispersal,将|RCBray| ≤ 0.95的行填充为Undominated。此步骤操作中应注意顺序,首先对|βNTI| > 2的行进行筛选并填充过程属性,随后再根据RCBray值填充|βNTI| ≤ 2的行。注意添加SID列 (图6中A列) 作为唯一值,以便与采样站位经纬度表链接。


    6. 成对站位群落构建过程属性表

  4. 在ArcGIS中将群落构建过程属性表与站位经纬度表链接,并根据各类过程调整成对站位连线颜色
    4.1
    将群落构建过程属性表链接至站位经纬度表
    右击步骤2.3中经XY To Line工具转换得到的成对站位连线图层“点集两两连接_XYToLine”图层→Open Attribute Table→Table Options→Joins and Relates→Join,进入Join Data对话框设置参数 (图7)。


    7. 表格链接参数设置

    4.2
    根据群落构建过程为成对站位连线赋色
    右击成对站位连线图层,“点集两两连接_XYToLine”图层,Properties→Symbology→Categories→Unique values→Value Field,选择Process字段,确定后根据群落构建过程调整线条颜色、宽度、透明度等属性,随后将该图层与已制作好的地图图层 (指研究区域地图,包括采样站位、行政区、河流、国界与省界四个图层,实际操作中可根据研究区域针对性选用地图图层) 结合,即可生成微生物群落构建过程的空间分布图 (图8)。调整线条属性的操作如下:在图8所示界面中双击Table Of Contents窗口中的“点集两两连接_XYToLine”图层,打开Layer Properties窗口 (图9),点击Symbology,Value Field选择Process (即图6所示Process),然后点击Add All Values,即可显示出所有5个生态过程 (图8)。此时,双击每个过程左侧的线条,打开Symbol Selector窗口,可调整线条颜色和宽度,在Layer Properties窗口点击Display则可调节线条的透明度。
    图8整体展示了5类生态过程的分布情况,若仅展示某一过程,则保留该过程的线条颜色,将其他4类过程的线条宽度调为0即可。


    图8. 微生物群落构建过程的地理空间分布图


    9. 线条属性设置窗口

致谢

本项工作得到了国家自然科学基金委员会 (项目编号:41977192) 的资助。

参考文献

  1. Esri, Redlands, CA. ArcGIS for Desktop. Retrieved from: https://desktop.arcgis.com/.
  2. Stegen, J. C., Lin, X., Fredrickson, J. K., Chen, X., Kennedy, D. W., Murray, C. J., Rockhold, M. L. and Konopka, A. E. (2013). Quantifying community assembly processes and identifying features that impose them. The ISME Journal 7(11): 2069-2079.
  3. Wang, K., Hu, H. J., Yan, H. Z., Hou, D. D., Wang, Y. T. Dong, P. S. and Zhang, D. M. (2019). Archaeal biogeography and interactions with microbial community across complex subtropical coastal waters. Molecular Ecology 28(12): 3101-3118.
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Copyright: © 2021 The Authors; exclusive licensee Bio-protocol LLC.
引用格式:闫慧贞, 王凯, 张德民. (2021). 微生物群落构建过程的空间可视化方法. Bio-101: e2003392. DOI: 10.21769/BioProtoc.2003392.
How to cite: Yan, H. Z., Wang, K. and Zhang, D. M. (2021). Spatial Visualization of Microbial Community Assembly Processes. Bio-101: e2003392. DOI: 10.21769/BioProtoc.2003392.
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