李司宇　劉雪　王文婧　盧松霖　郝雪萌　張杰

摘要 ? ?進化樹的構(gòu)建是當代生命科學技術(shù)中最為重要的技術(shù)之一，可以分析未知微生物和已知微生物的親疏關(guān)系，從而進一步獲取微生物進化關(guān)系的重要證據(jù)。本文對微生物進化樹的構(gòu)建進行了研究，闡述了進化樹的原理，梳理了相關(guān)的理論，同時全面地介紹了最常用的構(gòu)建進化樹的軟件及其功能，詳細地介紹了微生物進化樹的構(gòu)建方法，以期為更便捷地開展后續(xù)研究提供參考。

關(guān)鍵詞 ? ?微生物;進化樹;構(gòu)建

中圖分類號 ? ?Q393 ? ? ? ? 文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2019）19-0249-02 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）

Construction ?of ?Microbial ?Evolutionary ?Trees

LI Si-yu ? ?Liu Xue ? ?WANG Wen-jing ? ?LU Song-lin ? ?HAO Xue-meng ? ?ZHANG Jie *

（The College of Life Science，Northeast Forestry University，Haerbin Heilongjiang 150040）

Abstract ? ?The construction of evolutionary tree is one of the most important technologies in modern life science and technology，which can analyze the affinity between unknown microorganisms and known microorganisms，so as to further obtain important evidence of microbial evolutionary relationship. In this paper，the construction of the microbial evolutionary tree was studied，the principle of the evolutionary tree was expounded，the rel-evant theories were sorted out，the most commonly used software and functions of the construction of the evolutionary tree were introduced，and the construction method of the microbial evolutionary tree was introduced in detail，so as to provide references for the convenient follow-up research.

Key words ? ?microorganism;evolutionary tree;construction

在人類的生產(chǎn)和生活中，微生物必不可少，其影響著人類生活的方方面面。微生物在人類的健康和疾病中都發(fā)揮了重要作用，因而科學家們和研究者對微生物的研究和探索日益增多[1]。微生物和地球上其他生物都像樹一樣的分化生長[2]，而微生物的分布通常以物種的成分或者相對豐度進行衡量。劉娜[3]認為在進化樹的框架中，分支越近，物種的進化關(guān)系越近。將微生物進化樹的信息進行整合，可以高效地分析微生物組的數(shù)據(jù)信息，從而確定微生物的進化方向[4]。

1 ? ?進化樹的概述

微生物的多樣性通常用進化樹來表現(xiàn)。進化樹從本質(zhì)上講是對某一物種的發(fā)育進行分析，根據(jù)相同物種的不同性狀來分析二者之間的進化關(guān)系。構(gòu)建進化樹需多個學科融合，不僅包括分子生物學、遺傳學、生態(tài)學等生命科學學科，還包括統(tǒng)計學、計算機科學等數(shù)學學科，是一門交叉學科[5]。微生物進化樹的構(gòu)建過程主要有獲取序列數(shù)據(jù)、進化距離模型的確定、多個序列的對比、再提取對比后的結(jié)果、算法和參數(shù)的選擇[6]。目前，進化樹的信息構(gòu)建包括了數(shù)據(jù)庫的建立、進化樹構(gòu)建方法、進化樹信息數(shù)據(jù)挖掘等。進化樹數(shù)據(jù)庫的建立實際是2級數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，即初級數(shù)據(jù)庫和次級數(shù)據(jù)庫。構(gòu)建進化樹方法有最小進化法、鄰接法、最大簡約法、最大似然法等[7]。

1.1 ? ?進化樹形式

進化樹有2種形式，無根樹和有根樹。其中，有根樹可以表現(xiàn)進化的順序;無根樹功能單一，只能表示微生物之間的發(fā)育關(guān)系，無法說明進化的途徑。簡單來說，就是甲、乙、丙、丁4種生物，從無根樹中可以看出甲與乙較甲與丙、丁具有更近的親緣關(guān)系;而從有根樹中不僅能夠表示出甲、乙、丙、丁的親疏關(guān)系，更能看出4種生物的起源和進化的方向[8]。在解決現(xiàn)實的進化樹的問題中，常因為無法獲取足夠的信息來確定進行方向，沒有足夠的證據(jù)來證明進化樹的節(jié)點，所以一般獲得的進化樹都是無根的。李建伏[6]在研究中認為，在分析進化樹時有2個重量級的參考量即拓撲結(jié)構(gòu)和根支長度。其中，拓撲結(jié)構(gòu)更為重要，更加受到科學家的關(guān)注。在進化樹研究的初期，可以通過微生物的表觀特征進行進化分析，但是該方法具有缺陷、可信度較低。劉娜[3]曾經(jīng)在研究中表明，現(xiàn)今對于進化分析方法的研究已經(jīng)達到了分子水平，即從蛋白質(zhì)序列出發(fā)，通過進化分析的方法，研究分析進化的關(guān)系，得到進化樹。這種方法從生命遺傳的角度出發(fā)，使得研究結(jié)果更為可信[7]。郝柏林[9]構(gòu)建了一種新的方法，即對物種進行矢量刻畫，無需序列對比構(gòu)建進化樹[10]。

1.2 ? ?進化樹分析

一般采用以下幾個步驟分析進化樹：首先，對分析的進化樹的序列目標進行排列，常用的排序?qū)Ρ裙ぞ邽镃LUSTALX[11]。其次，構(gòu)建完整的進化樹。通常來說，構(gòu)建進化樹常用的算法為獨立元素法和距離依靠法。獨立元素算法是指排列好的序列上每個堿基或者氨基酸的性狀決定了進化樹的拓撲形狀[12]。例如，序列上的堿基狀態(tài)決定了序列上的酶切位點的存在和個數(shù)，換言之，當對進化樹進行序列分析時，進化樹的拓撲形狀也由堿基的狀態(tài)來決定。距離依靠法相對于獨立元素算法來說較為宏觀，序列間距離決定進化樹的拓撲形狀。最后，評估進化樹的可信度，慣用方法為自舉法，經(jīng)過反復多次的采集數(shù)據(jù)，再進行進化樹的構(gòu)建，檢驗結(jié)果是否穩(wěn)定。故而，自舉法通常用來檢驗一個完整進化樹的樹枝出現(xiàn)頻率的穩(wěn)定性以及檢驗其可信程度。

2 ? ?構(gòu)建常用軟件

微生物進化樹構(gòu)建采用的軟件都已成熟，例如PHYLIP、MEGA、ARB、PAML等。本文列出了常用的進化樹構(gòu)建軟件、算法及特點，見表1。

2.1 ? ?PHYLIP軟件介紹

PHYLIP是微生物進化樹構(gòu)建最為常用的軟件，是一種多平臺的操作系統(tǒng)，由Joseph Felsenstein開發(fā)研究。它的功能極為強大，它可以分析蛋白質(zhì)和基因的序列，可以對酶切位點進行分析，同時可以分析進化樹的距離矩陣以及基因頻率。其具備進化樹繪制功能，可以精準的分析控制過程。PHYLIP在官網(wǎng)下載，解壓后可以看到多個軟件的壓縮包，下載后可以實現(xiàn)雙擊后自動解壓，具有完整的進化樹的構(gòu)建功能，主要的程序功能：①蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)和DNA基因序列的分析功能，有4個不同的程序，分別為DNADIST、DNAPARS、DNAML和DNAMLK程序，共同完成進化樹的構(gòu)建;②將序列數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為距離數(shù)據(jù)，再分析距離數(shù)據(jù);③可以分析基因頻率，同時進行連續(xù)元素的分析;④可以繪制、分析和修改進化樹的圖。

2.2 ? ?MEGA軟件介紹

MEGA軟件可以對序列進行對比分析，同時進行統(tǒng)計分析。在這個軟件中，進行對比分析的方法是距離建樹法和MP建樹法，可以對序列進行自動或者手動的對比。繪制進化樹時對進化率進行估算，同時對結(jié)果進行驗證，另外其還可以連接網(wǎng)絡(luò)，進行數(shù)據(jù)庫檢索。MEGA軟件中包含的功能模塊主要有幾個功能：①對蛋白質(zhì)序列和DNA序列數(shù)據(jù)進行分析的功能模塊;②將序列數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為距離數(shù)據(jù)，再分析距離數(shù)據(jù)的功能模塊;③可以分析基因頻率，同時進行連續(xù)元素的分析的功能模塊;④將每個堿基或者氨基酸進行獨立對待，進行序列分析的功能模塊;⑤可以繪制、分析和修改進化樹的圖，進行網(wǎng)上blast搜索。

3 ? ?構(gòu)建

對一個完整的進化樹進行分析，主要進行以下步驟分析。首先，鎖定目標序列，并排列多序列目標;其次，構(gòu)建完整的進化樹雛形;最后，評估所得到的進化樹的可信程度。

在微生物進化樹的構(gòu)建中最常用的軟件就是PHYLIP和MEGA 2種軟件。對這2種軟件構(gòu)建的進化樹進行對比和分析，可以非常清楚地了解微生物的進化關(guān)系。

3.1 ? ?通過PHYLIP軟件進行進化樹的構(gòu)建

通過PHYLIP軟件構(gòu)建進化樹的具體過程見圖1。

3.2 ? ?利用MEGA3.1軟件構(gòu)建菌株的系統(tǒng)發(fā)育樹

利用MEGA3.1軟件構(gòu)建進化樹的具體過程見圖2。由此可知，構(gòu)建進化樹的時間和序列的數(shù)量正相關(guān)，樹枝上的數(shù)字所表示的是進化樹可信度的比例。

4 ? ?結(jié)語

隨著工業(yè)化的發(fā)展、科技發(fā)展的進步，人們越來越關(guān)注對微生物資源的利用，如微生物對重金屬離子污染的治理、微生物制藥等。對微生物進化樹的原理進行解釋、對進化樹的構(gòu)建軟件工具進行介紹、對進化樹的構(gòu)建方法進行詳細的描述等具有重要意義。以理論和實踐相結(jié)合的方式對進化樹的構(gòu)建進行研究，有利于人們對微生物的進化關(guān)系有更深刻的理解，從而更好地進行研究。

5 ? ?參考文獻

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[3] 劉娜.生物序列/結(jié)構(gòu)的比較及進化樹的構(gòu)建[D].大連：大連理工大學，2007.

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[11] 張原野.整合進化樹信息的微生物組數(shù)據(jù)分析方法研究[D].武漢：華中師范大學，2018.

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