R调用Taxonkit展示系统发育信息

Introduction

TaxonKit是一个用于处理生物分类学数据的命令行工具。它的主要功能是处理NCBI的生物分类学数据，包括对分类单元（如物种、属、科等）的查找、分类单元的上下位关系查询、分类单元名称的标准化等。

为了方便R社区用户（自己）使用和流程整合，我把Taxonkit工具整合进了R包pctax，也开发了一些配套的系统发育分析和可视化方法。

R调用Taxonkit

准备工作

安装pctax pctax稳定版本可在CRAN上获得:

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install.packages("pctax")

或者你可以通过以下方式从GitHub安装pctax的开发版本:

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# install.packages("devtools")
devtools::install_github("Asa12138/pctax")

安装taxonkit：

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library(pctax)
pctax::install_taxonkit(make_sure = TRUE)

#成功后taxonkit会安装在下面这个目录👇
tools::R_user_dir("pctax")

下载NCBI Taxonomy数据文件:

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pctax::download_taxonkit_dataset(make_sure = TRUE)

#成功后Taxonomy数据文件会在下面这个目录👇
file.path(Sys.getenv("HOME"), ".taxonkit")

该函数会下载官网最新版本的Taxonomy数据库，如果需要制定版本的数据库，可以自己在官网下载：https://ftp.ncbi.nih.gov/pub/taxonomy/，然后指定位置：

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pctax::download_taxonkit_dataset(make_sure = TRUE,taxdump_tar_gz = "~/Downloads/taxdump.tar.gz")

使用

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# 下列命令不报错说明可以正常使用
check_taxonkit(print = FALSE)

主要功能与taxonkit一致：

函数	功能
`taxonkit_list`	列出指定TaxId下所有子单元的的TaxID
`taxonkit_lineage`	根据TaxID获取完整谱系（lineage）
`taxonkit_reformat`	将完整谱系转化为“界门纲目科属种株”的自定义格式
`taxonkit_name2taxid`	将分类单元名称转化为TaxID
`taxonkit_filter`	按分类学水平范围过滤TaxIDs
`taxonkit_lca`	计算最低公共祖先(LCA)

并且help(taxonkit_*)可查看详细使用说明。

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# 列出[genus] Homo下的所有子单元
taxonkit_list(ids = c(9605), indent = "-", show_name = TRUE, show_rank = TRUE)

##  [1] "9605 [genus] Homo"                                    
##  [2] "-9606 [species] Homo sapiens"                         
##  [3] "--63221 [subspecies] Homo sapiens neanderthalensis"   
##  [4] "--741158 [subspecies] Homo sapiens subsp. 'Denisova'" 
##  [5] "-1425170 [species] Homo heidelbergensis"              
##  [6] "-2665952 [no rank] environmental samples"             
##  [7] "--2665953 [species] Homo sapiens environmental sample"
##  [8] "-2813598 [no rank] unclassified Homo"                 
##  [9] "--2813599 [species] Homo sp."                         
## [10] ""

taxonkit_lineage, taxonkit_reformat, taxonkit_name2taxid, taxonkit_filter 与 taxonkit_lca 默认从文件中读取数据，也可通过指定text = TRUE从字符串输入读取输入数据：

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# 查询9606和63221的完整谱系
taxonkit_lineage("9606\n63221", show_name = TRUE, show_rank = TRUE, text = TRUE)%>%
    pcutils::strsplit2(split = "\t",colnames = c("taxid","lineage","name","level"))

##   taxid
## 1  9606
## 2 63221
##                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          lineage
## 1                               cellular organisms;Eukaryota;Opisthokonta;Metazoa;Eumetazoa;Bilateria;Deuterostomia;Chordata;Craniata;Vertebrata;Gnathostomata;Teleostomi;Euteleostomi;Sarcopterygii;Dipnotetrapodomorpha;Tetrapoda;Amniota;Mammalia;Theria;Eutheria;Boreoeutheria;Euarchontoglires;Primates;Haplorrhini;Simiiformes;Catarrhini;Hominoidea;Hominidae;Homininae;Homo;Homo sapiens
## 2 cellular organisms;Eukaryota;Opisthokonta;Metazoa;Eumetazoa;Bilateria;Deuterostomia;Chordata;Craniata;Vertebrata;Gnathostomata;Teleostomi;Euteleostomi;Sarcopterygii;Dipnotetrapodomorpha;Tetrapoda;Amniota;Mammalia;Theria;Eutheria;Boreoeutheria;Euarchontoglires;Primates;Haplorrhini;Simiiformes;Catarrhini;Hominoidea;Hominidae;Homininae;Homo;Homo sapiens;Homo sapiens neanderthalensis
##                            name      level
## 1                  Homo sapiens    species
## 2 Homo sapiens neanderthalensis subspecies

从文件中读取数据：

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names <- system.file("extdata/name.txt", package = "pctax")
taxonkit_name2taxid(names, name_field = 1, sci_name = FALSE, show_rank = FALSE)%>%
    pcutils::strsplit2(split = "\t",colnames = c("name","taxid"))

##                                              name   taxid
## 1                                    Homo sapiens    9606
## 2            Akkermansia muciniphila ATCC BAA-835  349741
## 3                         Akkermansia muciniphila  239935
## 4                 Mouse Intracisternal A-particle   11932
## 5                                        Wei Shen        
## 6 uncultured murine large bowel bacterium BAC 54B  314101
## 7                       Croceibacter phage P2559Y 1327037

系统发育树

如果是做16S测序的话，在分析过程中就会得到一个带距离的系统发育树。宏基因组分析如果组装MAG后用GTDB-Tk比对数据库后也可以获得有距离的系统发育树。

但有时候我们想要从物种名或taxid获取整齐的谱系信息，用来一个构建系统发育树（层级树，没有真实的距离，只展示包含关系）。这是一个常见的需求，很多文章都会画一个这样的树图来展示自己的数据。

可以实现这个需求的工具有一些：

iPhylo：https://iphylo.net/，免费，快速，支持NCBI taxonomy和一些化学物质分类树，赞
R包taxtree，很慢
PhyloT：https://phylot.biobyte.de/，收费

当然可以使用pctax包快速完成，对于分析流程都在R里做的人来说非常方便:

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names <- system.file("extdata/name.txt", package = "pctax")%>%readLines()

# 首先通过`name_or_id2df`获取整齐的系统发育分类：
tax_df=name_or_id2df(names,mode = "name")

# 去除部分NA，原因可能是学名不标准，或者在新数据库里删除了，因为taxonomy数据库是不断变化的
tax_df=na.omit(tax_df)

#用`df2tree`将分类层级表转化为树对象
tax_tree=pctax::df2tree(tax_df[,3:9])

# tax_tree是phylo对象，可以用ape包直接简单绘图
ape:::plot.phylo(tax_tree)

可视化

pctax还提供了一些系统发育信息展示方法：

系统发育树

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data(otutab, package = "pcutils")
#otutab是丰度数据，taxonomy是分类层级表（可通过name_or_id2df获得）
ann_tree(taxonomy, otutab) -> tree

easy_tree(tree, add_abundance = TRUE) -> p
p

添加主要Phylum的strip：

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easy_tree(tree, add_abundance = TRUE,add_tiplab = FALSE) -> p
some_tax <- table(taxonomy$Phylum) %>%
  sort(decreasing = TRUE) %>%
  head(5) %>%
  names()
add_strip(p, some_tax)

当然，更多系统发育树的绘制可以参考我之前写的R绘制优美的进化树（基础）和R绘制优美的进化树（进阶），或者使用iPhylo网站来交互式绘图：iPhylo 生成并绘制优美的分类树

桑基图：

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sangji_plot(tree)

3.旭日图

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sunburst(tree)

TaxonKit 使用

TaxonKit是采用Go语言编写的命令行工具，提供Linux, Windows, macOS操作系统不同架构（x86-64/arm64）的静态编译的可执行二进制文件。发布的压缩包不足3Mb，除了Github托管外，还提供国内镜像供下载，同时还支持conda和homebrew安装。

用户只需要下载、解压，开箱即用，无需配置，仅需下载解压NCBI Taxonomy数据文件解压到指定目录即可。

源代码 https://github.com/shenwei356/taxonkit ，
文档 http://bioinf.shenwei.me/taxonkit （介绍、使用说明、例子、教程）

选择系统对应的版本下载最新版 https://github.com/shenwei356/taxonkit/releases ，解压后添加环境变量即可使用。或可选conda安装

conda install taxonkit -c bioconda -y

表格数据处理，推荐使用 csvtk 更高效：

conda install csvtk -c bioconda -y

测试数据下载可直接 https://github.com/shenwei356/taxonkit 下载项目压缩包，或使用git clone下载项目文件夹，其中的example为测试数据

git clone https://github.com/shenwei356/taxonkit

TaxonKit为命令行工具，采用子命令的方式来执行不同功能，大多数子命令支持标准输入/输出，便于使用命令行管道进行流水作业，轻松整合进分析流程中。

输出：
- 所有命令输出中包含输入数据内容，在此基础上增加列。
- 所有命令默认输出到标准输出（stdout），可通过重定向（>）写入文件。
- 或通过全局参数-o或--out-file指定输出文件，且可自动识别输出文件后缀（.gz）输出gzip格式。
输入：
- 除了list与taxid-changelog之外，lineage, reformat, name2taxid, filter 与 lca 均可从标准输入（stdin）读取输入数据，也可通过位置参数（positional arguments）输入，即命令后面不带任何flag的参数，如 taxonkit lineage taxids.txt
- 输入格式为单列，或者制表符分隔的格式，输入数据所在列用-i或--taxid-field指定。

TaxonKit直接解析NCBI Taxonomy数据文件（2秒左右），配置更容易，也便于更新数据，占用内存在500Mb-1.5G左右。数据下载：

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# 有时下载失败，可多试几次；或尝试浏览器下载此链接
wget -c https://ftp.ncbi.nih.gov/pub/taxonomy/taxdump.tar.gz 
tar -zxvf taxdump.tar.gz

# 解压文件存于家目录中.taxonkit/，程序默认数据库默认目录
mkdir -p $HOME/.taxonkit
cp names.dmp nodes.dmp delnodes.dmp merged.dmp $HOME/.taxonkit

Taxonkit的作者大大贴心地提供了中文文档：https://bioinf.shenwei.me/taxonkit/chinese/，非常详细，大家可以参考使用。