生物信息学实用教程：从多序列比对到系统发育树构建¶
本教程将引导你完成一个核心的生物信息学分析流程：首先使用 MUSCLE 或 MAFFT 进行多序列比对，然后使用 IQ-TREE 构建系统发育树。
第一步：选择并进行多序列比对¶
多序列比对（MSA）是后续分析的基础，其质量至关重要。
如何选择比对工具？¶
| 特点 | 推荐工具 | 适用场景 |
|---|---|---|
| 序列数量少、长度短 | MUSCLE | 适用于几百条、长度在 20,000 个碱基/氨基酸以下的序列。速度极快，结果可靠。 |
| 序列数量多、长度长 | MAFFT | 适用于大规模数据集，尤其是当序列长度超过 20,000 个碱基时（如线粒体/病毒全长基因组）。 |
核心原则： 如果用 MUSCLE 时遇到关于序列长度的报错（如 HMM overflow），那么就应该换用 MAFFT。
工具安装与使用¶
选项A: MUSCLE (适用于快速、常规比对)¶
1. 安装
- Windows: 从 MUSCLE 官网下载 .
2. 使用
打开终端（命令提示符或 PowerShell），进入文件所在目录，运行以下命令：
# Windows
muscle.exe -super5 sequences.fa -output aligned_sequences.fa
# Linux
muscle -super5 sequences.fa -output aligned_sequences.fa
- -super5: 调用 MUSCLE v5 中推荐的快速且准确的算法。
选项B: MAFFT (适用于大规模、长序列比对)¶
1. 安装
- Windows: 从 MAFFT 官网下载并运行安装程序。
- Linux (Ubuntu/Debian): 强烈推荐使用 conda。
# 创建并激活新环境
conda create -n mafft_env -c bioconda mafft
conda activate mafft_env
2. 使用
--auto 选项在绝大多数情况下都是最佳选择。
# 自动选择最优策略，并使用所有CPU核心加速
mafft --auto --thread -1 your_sequences.fa > aligned_sequences.fa
- --auto: 自动选择最佳比对策略。
- --thread -1: 在 Linux 上使用所有可用的 CPU 核心。在 Windows 上可指定具体数字，如 --thread 8。
- >: 将输出结果保存到文件。
第二步：构建系统发育树 (以 IQ-TREE 为例)¶
完成多序列比对后，你就得到了构建系统发育树所必需的输入文件（例如 aligned_sequences.fa）。在众多建树工具中，IQ-TREE 因其卓越的速度、顶尖的模型选择功能和高度的准确性，已成为现代系统发育分析的黄金标准。
为什么选择 IQ-TREE?¶
- 准确性高: 内置的 ModelFinder 功能可以自动为你的数据找到最合适的进化模型。
- 速度极快: 支持多线程并行计算，能极大地缩短大规模数据的分析时间。
- 学术界标准: 是发表高质量科研论文的首选工具。
安装 IQ-TREE (Linux)¶
同样，强烈推荐使用 conda 进行安装。
# 1. 创建一个专门用于 iqtree 的新环境
conda create -n iqtree_env -c bioconda iqtree
# 2. 激活环境
conda activate iqtree_env
之后，你就可以在此环境中直接使用 iqtree 命令。
使用方法¶
- 准备文件：确保你的终端位于比对好的文件（例如 aligned_sequences.fa）所在的目录。
- 运行命令：
iqtree -s aligned_sequences.fa -B 1000 -T AUTO
命令解释:
* iqtree: 运行程序。
* -s aligned_sequences.fa: -s (sequence) 指定输入的比对文件。
* -B 1000: -B (Bootstrap) 运行1000次 Ultrafast Bootstrap 可靠性检验，评估树各分支的置信度。
* -T AUTO: -T (Threads) 自动检测并使用所有可用的CPU核心进行并行计算，极大加速分析。
结果解读与可视化¶
运行结束后，IQ-TREE会生成多个文件。最重要的一个是：
- .treefile (例如 aligned_sequences.fa.treefile): 这是最终的系统发育树，以 Newick 格式存储。
这个纯文本文件需要使用可视化软件来查看：
- FigTree: 经典、免费的桌面树文件查看器。
- iTOL (Interactive Tree Of Life): 功能强大的在线网页工具，可以制作出版级别的进化树图。
- MEGA: MEGA 软件也可以作为树文件查看器，直接将 .treefile 文件拖入即可。