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系统发育常见软件与在线工具合集

 
  • 2020年 01月01日

本篇文章是为了记录本人在系统发育实验和数据分析过程中，所使用过的以及部分未使用但如雷贯耳的软件的集合。当然，相对于整个系统发育软件之汪洋大海，此处不过一滴水！

1. 数据获取

1.1 测序数据整理

  • DNAstar DNAstar是一个序列编辑和分析的全功能包，其子包Seqman能比对和手动调整Sanger测序文件，操作简单，但默认不解析少量低质量测序结果的测序文件
  • Chromas 功能和Seqman类似，不支持测序结果反向互补查看，但没有Seqman的低质量限制，可做为Seqman的补充

1.2 序列比对

  • Mega 全能型系统发育工具，比对和编辑序列较方便，比对算法集成ClustralX和Muscle方法
  • Mafft 快速而准确的序列比对工具，在序列比对方面比Mega效果更好

1.3 比对后处理

  • PhyDE 序列编辑软件，可以多开，方便多个比对结果之间进行比较
  • FastGap 可以对比对后的序列的gap进行重编码，提高序列信息使用效率
  • Gblocks 在线工具，选择序列保守区，使得后续系统发育分析免受变异过大的比对区域的不良影响
  • DAMBE 一个低调但全能的系统发育软件，定位与Mega类似，包括饱和度检测功能点
  • DNAsp 序列分析软件，计算各种序列多样性数据，如核苷酸多样性、序列信息位点含量、单倍型等

2. 格式转换

  • DAMBE 少有的集成有格式转换模块的综合性软件
  • PGDSpider 专门的格式转换软件，可以在众多系统发育和群体遗传学的文件格式之间转换
  • EasyCodeML 进化选择压力检测软件，但是也集成了部分常见格式的转换功能

3. 模型选择

  • Modeltest/MrModeltest—ModelGUI 最常使用的DNA突变模型选择软件组合，依附于PAUP，直接生成适用于MrBayes和Garli的对应模型命令模块
  • jmodeltest 模型选择软件，优势是可选择的模型很多，缺点是运算速度很慢
  • Moderfinder 较新的模型选择软件，速度很快，集成于iqtree里面
  • PartitionFinder 较新的模型和数据分区选择软件

4. 发育树构建

4.1 最大简约法法

  • PAUP 老牌著名系统发育软件，支持UPGMA，MP，ML等方法。
  • Mega 支持最大简约法
  • DAMBE 支持最大简约法
  • Phylip 老牌系统发育软件，可覆盖系统发育构建的几乎全部流程

4.2 最大似然法

  • PAUP 老牌著名系统发育软件，支持UPGMA，MP，ML等方法。

  • Phylip 老牌系统发育软件，可覆盖系统发育构建的几乎全部流程

  • Garli 基于遗传算法的构建ML树的软件

  • RAxML 现在较为常用的ML树构建软件，速度很快，从RAxML开始，由于peusolikelihood和快速自展的引入，最大似然法的运算速度得到极大改善，一改最大似然法计算强度大的印象

  • ExaML RAxML的扩展，支持并行运算，速度较快，适用于基因组数据

  • iqtree 集成了模型选择和发育树评估的建树软件，使用起来方便，在Zhou et al.对各种快速似然发育树构建方法（RAxML，PhyML，Fasttree，iqtree）的评价中，iqtree综合表现最好

    Programs Optimality Criterion Starting Tree Topological Moves Supported Models(DNA) Supported Models(AA) Partitioned Analysis
    RAxML v8.2.0 (ExaML v3.0.17) ML Parsimony/random/custom SPR Common and custom models JC69, K80, HKY85, GTR Y
    PhyML v20160530 ML Parsimony/random/custom Interleaved NNI and SPR Common and custom models Common and custom models Y
    IQ-TREE v1.4.2 ML BIONJ and multiple parsimony/random/custom NNI and stochastic perturbation Common and custom models Common and custom models Y
    FastTree v2.1.9 ML Heuristic NJ NNI and SPR (ME) followed by NNI (ML) JTT, WAG, LG JC69, GTR N

    图表参考自该论文

4.3 贝叶斯法

  • MrBayes 贝叶斯方法的主要软件，但相对于支持快速自展的ML方法，速度较慢

  • BEAST 一个基于贝叶斯方法构建发育树、物种树、时间树以及时空动态的平台型软件，分为两个版本BEAST1和BEAST2。

  • ExaBayes 针对于大数据集的贝叶斯构树软件

    Program Brief description
    BEAST Implements a vast number of models. Examples are the simultaneous estimation of the tree topology and divergence times, phylodynamics, phylogeography, and species tree estimation under the MSC model.
    MrBayes Implements a large number of models for analysis of nucleotide, amino acid and morphological data. Estimates species phylogenies and species divergence times.
    RevBayes Similar to MrBayes, but with its own programming language to set up complex hierarchical Bayesian models.
    MCMCTree Estimates divergence times on a fixed phylogenetic tree.
    Phycas Estimates phylogenetic trees based on nucleotide data. This allows for multifurcating trees, helping to reduce spuriously high posterior probabilities for phylogenies.
    PhyloBayes Reconstructs phylogenetic trees using infinite mixture models to account for among-site and among-lineage heterogeneity in nucleotide or amino acid compositions, which may be important for inferring deep phylogenies.
    BPP Implements species tree estimation and species delimitation under the MSC model using multi-loci genomic sequence data.
    Migrate Estimates population sizes and migration rates under the population-subdivision model based on molecular data.
    IMa2 Estimates divergence times, population sizes and migration rates under the isolation-with-migration model using multi-loci DNA sequence data and a fixed phylogenetic tree for populations.
    Structure Estimates population structure from multi-loci genotype data.
    BAMM Estimates clade diversification rates on phylogenies.
    Tracer A program for MCMC diagnostics and summaries.
    AWTY A package for MCMC diagnostics for Bayesian phylogenetic inference.

    图标参考自此论文

5. 系统发育网络构建

  • TCS 简单的构建系统发育网络的软件，官方的下载链接可能已经失效
  • Network 同上
  • SplitsTree 支持多种算法（距离法，NJ法等）的发育网络构建软件
  • Phylonet 利用最大似然算法推断系统发育网络，能够区分杂交事件和不完全谱系分选
  • JML 同样宣称可以区分杂交和不完全谱系分选的发育网络构建软件

  • Dendroscope

      SplitsTree Network Arlequin TCS T-Rex SpectroNet CombineTrees
    Input format Nexus Unique Unique, can import Phylip Nexus Phylip Nexus Nexus
    Data types Characters, distances, trees Characters Characters Characters, distances Characters, distances Characters, trees Trees
    Network method              
    Character-display networks              
    Median network *         *  
    Qusai-median network   *       *  
    Reduced-median network              
    Greedily reduced-median netword              
    Local buneman graph              
    Quartet window annlysis              
    Pruned median network              
    Pruned quasi-median network *            
    Parsimony splits *            
    Splits decomposition *            
    Neighobor-net *            
    Parsimony networks              
    Netting              
    Union of maximum-parsimony trees             *
    Minimum-spanning netword *   *        
    Median-joining * *          
    Statistical-parsimony       *      
    Other networks              
    Pyramids              
    Statistical geometry              
    Concordance tree              
    Netview              
    Reticulogram         *    
    Tree-display networks              
    Consensus network *         *  
    Super-network *            
    Filtered super-network *            

    该表参考自书籍 Morrison, D. A. (2011). An introduction to phylogenetic networks. RJR productions.

6. 物种树构建

  • BEAST

  • BPP BEAST和BPP软件推算物种树的时候同时计算每个基因的基因树及其和每个物种树的组合概率，称为一步法，一般较为准确，但是运算量很大，难以适用于基因组时代的大量数据

  • ASTRAL 该软件需先计算出每个基因的基因树，然后再根据基因树利用溯祖原理推断出物种树，称为两步法，速度很快

  • STEM-hy

  • MP-EST

  • NJst

    Program Analytical framework Input Output
    GMYC Best-fit tree branching models (coalescent vs Yule) Ultrametric gene tree Transition point from species to populations, and estimate of species number
    Brownie Maximum likelihood or gene tree parsimony Gene trees Species tree of delimited species and group membership
    SpedeSTEM Maximum likelihood and/or information theory Sequence alignments and group membership Species tree of delimited species
    BP&P Bayesian and/or reversible-jump MCMC Sequence alignments, group membership, and guide tree Posterior probability distribution of species delimitation models, coalescent times, and population sizes

图表参考自此论文论文

7. 发育树注释

  • 祖先状态重建
    • Mesquite 功能相当全面的系统发育软件，包括其他软件少有的发育树编辑功能。对于祖先状态重建，该软件支持MP和ML方法
    • BayesTraits 支持贝叶斯方法进行状态重建，这里状态包括形态性状和地理分布数据
  • 祖先地理重建
    • RASP 常见的祖先地理重建软件，操作简便，支持多种模型和参数设置
    • BayesTraits 支持贝叶斯方法进行状态重建，这里状态包括形态性状和地理分布数据

  • 时间树

    • BEAST 最常用的时间树构建软件，基于贝叶斯算法，速度较慢
    • MCMCtree PAML软件的子包，常用的时间树构建软件，在基因组时代使用较多
    • r8s 基于最大似然法的时间树构建软件，计算相对时间，善于应对没有化石校准点的状况，貌似官方下载链接已失效
    Program Method Brief description
    Beast Bayesian Comprehensive suite of models. Particularly strong for the analysis of serially sampled DNA sequences. Includes models of morphological traits
    DPPDiv Bayesian Dirichlet relaxed clock model. Fossilized birth–death process prior to calibrate time trees
    MCMCTree Bayesian Comprehensive suite of models of rate variation. Fast approximate likelihood method that allows the estimation of time trees using genome alignments
    MrBayes Bayesian Large suite of models for morphological and molecular evolutionary analysis. Comprehensive suite of models of rate variation
    Multidivtime Bayesian The first Bayesian clock dating program. Introduced the geometric Brownian model and the approximate likelihood method
    PhyloBayes Bayesian Broad suite of models. Uses data augmentation to speed up likelihood calculation and can be efficiently used in parallel computing environments (MPI enabled)
    r8s Penalized likelihood Very fast (uses Poisson densities on inferred mutations to approximate the likelihood). Suitable for the analysis of large phylogenies. Suitable for estimating relative ages (by fixing the age of the root to 1). Does not deal with fossil and branch length uncertainty correctly
    TreePL Penalized likelihood Similar to r8s

    图标参考自此论文。

8. 发育树评估

  • Consel 一个年代相当久远的发育树评估软件，但是功能相对全面，现在还少见可以替代的软件
  • Bucky 多基因树中，可以评估发育树中某个拓扑结构受到多少个基因数据的支持，而不是仅仅只看总体的支持率

9. 发育树可视化

  • Figtree 常见又好用的发育树可视化软件，当额外的形态性状或者地理分布注释数据不多的时候，很好用

  • Tree graph 发育树可视化软件，特色之一是可以手动画发育树，自定义拓扑结构和枝长

  • iTol 发育树可视化在线工具，可以注释多种多样的数据

  • EvolView 类似iTOL的在线工具，但是是由国人创造的

  • ggtree Y叔开发的发育树可视化R包，在最新的版本中ggtree被拆分成了树文件读取解析的treeio和专注于可视化的ggtree，如果你熟悉R语言，那么也不失于一个好选择

10. 在线工具

11. 软件合集

  • PhyloSuite 虽然它只是一个软件，而不是一个合集，但却是迄今最全面的系统发育流程整合软件，从序列下载、比对、模型选择到发育树构建均可以完成，主要是还可以设置批处理流程，设置好后一键运行，系统发育分析再也不用在软件间繁琐地跳来跳去了。
  • ExPASy Bioinformatics Resource Portal
  • Phylogeny Programs pages 系统发育软件集合
  • 生物软件网
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