phylogram：R 演化樹整合套件使用教學與範例

介紹 phylogram 這個 R 語言的演化樹資料格式整合套件的使用方式以及實務範例。

系統發生樹（phylogenetic tree）又稱為演化樹或進化樹（evolutionary tree），是演化生物學家常需要繪製的圖形，而 R 中有許多的套件都可以用來畫這類的圖，例如 ape、phangorn 與 phytools，但是這些工具所使用的資料格式並沒有整合在一起。

比較常見的資料格式有 phylo 與 dendrogram 這兩種。phylo 是以矩陣方式來儲存資料的格式，效率較高、功能較陽春，採用這種格式的套件有 ape、phangorn 與 Phytools 等；dendrogram 則是以巢狀列表（nested list）的方式儲存資料，雖然效率較低，但是功能較豐富、直覺好操作，同時亦可使用一般列表的操作函數來處理，所以有很多工具（例如 dendextend）都使用這種格式。

phylogram 是一個整合 phylo 與 dendrogram 兩種格式的工具套件，可以用來處理演化樹的格式轉換、資料管理、匯入與匯出等動作，同時也支援 Newick 格式，以下是 phylogram 套件的使用教學。

安裝 phylogram

phylogram 套件可以從 CRAN 官方套件庫下載與安裝：

# 安裝 phylogram 套件
install.packages("phylogram")

若想要安裝最新的開發中版本，則可先安裝 devtools、kmer 與 dendextend 這幾個必要的套件之後，再從 GitHub 上面下載並安裝 phylogram：

# 從 GitHub 下載並安裝 phylogram 套件
devtools::install_github("ropensci/phylogram", build_vignettes = TRUE)

載入 phylogram 套件：

# 載入 phylogram 套件
library(phylogram)

匯入與匯出 Newick 樹狀圖

Newick 是許多樹狀圖編輯軟體都支援的一種樹狀圖格式，而 phylogram 套件所提供的 read.dendrogram 函數就可以用來匯入 Newick 格式的樹狀圖：

# 匯入 Newick 格式樹狀圖
my.tree.1 <- read.dendrogram(text = "(A,(B,C));")

dendrogram 的樹狀圖可以直接使用 plot 將它畫出來：

# 繪製樹狀圖
plot(my.tree.1, yaxt = "n")

繪製出來的圖形會像這樣：

若想要將 dendrogram 格式的樹狀圖匯出成為 Newick 格式的文字，可以使用 phylogram 套件所提供的 write.dendrogram 函數，以下是一個簡單的範例。

# 將樹狀圖匯出為 Newick 格式
write.dendrogram(my.tree.1, edges = FALSE)

[1] "(A,(B,C));"

檔案的匯入與匯出

若要直接從 Newick 格式的檔案中讀取樹狀圖，作法也都大同小異，只要使用 file 參數指定來源檔案名稱即可：

# 從檔案匯入 Newick 格式樹狀圖
my.tree.2 <- read.dendrogram(file = "my_tree.dnd")

若要將樹狀圖匯出至檔案，則在呼叫 write.dendrogram 時以 file 參數指定輸出的檔案名稱：

# 將樹狀圖匯出為 Newick 格式的檔案
write.dendrogram(my.tree.2, file = "output.dnd", edges = FALSE)

轉換樹狀圖格式

phylogram 套件所提供的 as.phylo.dendrogram 與 as.dendrogram.phylo 函數可以用來處理 phylo 與 dendrogram 格式之間的轉換，但是除了 phylogram 套件之外，其他的套件也有可能會提供相同名稱的函數，若要確保能夠呼叫到 phylogram 套件所提供的轉換函數，在使用時可以加上命名空間的標示：

# 從 dendrogram 轉換為 phylo
my.phylo.1 <- phylogram::as.phylo.dendrogram(my.tree.1)

# 從 phylo 轉換為 dendrogram
my.dend.1 <- phylogram::as.dendrogram.phylo(my.phylo.1)

編輯樹狀圖

phylogram 套件提供了一些可以用來編輯 dendrogram 的函數，prune 可以用來移除符合條件的節點，ladder 函數則可以用來調整節點的順序，方便畫圖。

若以 R 基本的巢狀列表（nested list）建立演化樹的時候，可以使用 remidpoint 函數自動修正各個節點的 midpoint、members、leaf 等屬性，而節點的高度則可使用 reposition 或 as.cladogram 來設定。

# 建立基本的巢狀列表
my.tree.3 <- list(1, list(2, 3))

# 設定各個節點的 midpoint、members、leaf 等屬性
my.tree.3 <- remidpoint(my.tree.3)

# 設定各個節點的高度屬性
my.tree.3 <- as.cladogram(my.tree.3)

在進行 dendrogram 的各種編輯動作時，可以運用 dendrapply 或 lapply 函數，將自訂的處理函數一次套用至所有的節點上。

# 建立自訂處理函數
set_label <- function(node) {
  if (is.leaf(node)) attr(node, "label") <- LETTERS[node]
  return (node)
}

# 遞迴處理每個節點
my.tree.3 <- dendrapply(my.tree.3, set_label)

# 繪製樹狀圖
plot(my.tree.3, horiz = TRUE)

應用實例

若要產生兩棵演化樹的比較圖，可以使用 dendextend 套件的 tanglegram 繪圖函數來處理，但這個繪圖函數只接受 dendrogram 格式，若遇到 phylo 的時候就要使用 phylogram 套件來轉換。

以下示範使用 k-mer 與 Kimura 1980 兩種不同距離計算方式，產生兩棵演化樹，比較它們的差異。

首先安裝 dendextend 這個繪圖用的套件，以及 kmer 這個計算 k-mer 距離的套件：

# 安裝 dendextend 與 kmer 套件
install.packages(c("dendextend", "kmer"))

其實這裡還需要一個 ape 演化樹分析套件，不過這個套件在安裝 phylogram 套件的時候，就已經自動安裝好了，所以不用手動安裝。

首先載入必要的套件以及 woodmouse 這個示範用的資料集。

# 載入套件與資料
library(ape)
library(kmer)
data(woodmouse)

使用 k-mer 與 Kimura 1980 演算法產生兩個距離矩陣：

# 計算距離矩陣
woodmouse.dist <- ape::dist.dna(woodmouse, model = "K80")
woodmouse.kdist <- kdistance(woodmouse, k = 6)

以近鄰結合法（neighbor-joining method）建立演化樹：

# 近鄰結合法建立演化樹
phy1 <- ape::nj(woodmouse.dist)
phy2 <- ape::nj(woodmouse.kdist)

重新排列節點順序，可讓畫出的演化樹更好閱讀：

# 重新排列節點順序
phy1 <- ape::ladderize(phy1)
phy2 <- ape::ladderize(phy2)

將 phylo 的樹轉換為 dendrogram 的樹：

# 將 phylo 物件轉換為 dendrogram 物件
dnd1 <- phylogram::as.dendrogram(phy1)
dnd2 <- phylogram::as.dendrogram(phy2)

呼叫 tanglegram 繪製樹狀圖：

# 繪製樹狀圖
dndlist <- dendextend::dendlist(dnd1, dnd2)
dendextend::tanglegram(dndlist, fast = TRUE, margin_inner = 5)

參考資料：rOpenSci、CRAN、GitHub、kmer vignettes、dendextend vignettes、CRAN Task View