系统发生树构建和分析
系统发育树主要的四种构建方法
系统发育树主要的四种构建方法系统发育树（PhylogeneticTree）是生物学中最重要的概念之一，代表着物种的演变和发展关系，因此在基因组学、进化生物学等领域被广泛使用。
系统发育树以树状结构来组织物种之间的关系，这种结构形象地描绘了物种发展演化脉络，以及物种之间的亲缘关系。
通常情况下，系统发育树构建通过收集系统发育记录内容，通过分析物种间的相似性和距离，将这些信息映射到一个空间，以构建一个描述系统发育关系的树状结构。
本文将介绍构建系统发育树的四种主要方法，并结合实例详细说明其原理、优缺点。
第一种方法是基于分支的构建方法。
该方法的原理是从物种之间的共有特性出发，基于一组物种形态上的关系构建树。
该方法对物种之间的亲缘关系比较友好，但是它忽略了物种之间的根源关系，无法从真实的物种演化关系中考虑更多的信息。
以拟南芥（Arabidopsis thaliana）为例，其系统发育树利用了分支的构建方法，以体内的形态特征（如叶片的外形）为基础，把它与附近的物种进行比较，得到了拟南芥系统发育树的结构。
第二种方法是基于遗传标志物的构建方法。
在这种方法中，研究者采集物种的遗传标志物，包括核酸序列和蛋白质序列等，然后从遗传标志物间的相似性出发，计算出物种之间的进化距离，最后构建系统发育树。
此外，通过分析核酸序列的变异情况，也可以得到更准确的系统发育树。
以海岸铃声花（Lobelia cardinalis）为例，在其系统发育树的构建中，研究者采集了它的核酸序列、蛋白质序列，并与附近的物种进行比较，分析其遗传标志物的相似性，从而得到了海岸铃声花系统发育树的结构。
第三种方法是基于表型特征的构建方法。
表型特征是物种形态上可以观察到的特征，而表型比较可以帮助我们更好地分析物种间的进化距离，为物种系统发育树的构建提供依据。
以金星兰（Phalaenopsis amabilis）为例，其系统发育树利用了表型特征的构建方法，以金星兰的叶片形态等特征，与附近的物种进行比较，从而得到了金星兰的系统发育树结构。
系统发生树构建和分析
系统发生树构建和分析姓名________ 学号______________ 分组编号_____ 日期________年___月___日1.参阅ABC网站有关资料，查阅相关文献，说明以下基本概念1)分子演化和系统发生2)序列相似性（Similarity）和序列同源性（Homology）3)直系同源（Ortholog）和旁系同源（Paralog）4)核苷酸替换模型和氨基酸替换模型5)突变速率和分子钟6)进化分支树（Cladogram）和系统发生树（Phylogram）7)基因树和物种树8)无根树和有根树9)分支和节点10)内部节点和外部节点11)根节点和叶节点12)距离法和位点法13)最大简约法和最大似然法2.参阅ABC网站中有关资料，查阅相关文献，回答以下问题1)构建系统发生树的基本步骤2)构建系统发生树时选择核苷酸序列或氨基酸序列的原则3)利用自举法（Bootstrap）检验系统发生树稳定性的原理4)确定无根树根节点的方法5)如何通过所构建的系统发生树判断“先有物种”还是“先有基因”6)不同建树方法的基本原理和特点3.人珠蛋白基因家族系统发生树实例1)以人珠蛋白基因家族12个成员蛋白质序列，用MEGA邻接法构建系统发生树；选择不同氨基酸替换模型（Substitution Model），比较所构建的系统发生树的拓扑结构和稳定性值（Bootstrap value），说明不同替换模型对结果的影响。
2)以人珠蛋白基因家族12个成员编码区序列，用MEGA 邻接法构建系统发生树；，选择不同核苷酸替换模型，比较所构建的系统发生树的拓扑结构和稳定性值（Bootstrap value），说明不同替换模型对结果的影响。
3)根据所构建的系统发生树，参阅Burmester 和Hardision论文，说明人珠蛋白基因家族12个成员之间的演化关系。
4.人、小鼠和大鼠三个物种珠蛋白家族系统发生树实例1)以人、小鼠和大鼠三个物种珠蛋白家族37个成员编码区序列，采用邻接法、最大简约法和最大似然法构建系统发育树，选择适当的替换模型和参数，比较采用不同方法、不同模型和不同参数时所构建的系统发生树的拓扑结构和稳定性值。
分子进化树构建方法
C B
2
D
outgroup
外群、外围支
Rooted tree vs. Unrooted tree
plant animal
plant
plant animal
Unrooted tree
fungus
animal
bacterium
plant plant plant
animal
Rooted tree
Monophyletic group
Cat Dog Rat Cow 3 4 6 5 7 6 Dog Dog Rat Cat
1
2 2 1 4
计算序 列的距 离，建 立距离 矩阵
Rat
通过距 离矩阵 建进化 树
Cow
Step1. 计算序列的距离，建立距离矩阵
对位排列， 去除空格 （选择替代模型）
Uncorrected “p” distance (=observed percent sequence difference) Kimura 2-parameter distance (estimate of the true number of substitutions between taxa)
A
节点 Node
祖先节点/树 根
Root
内部节点/分歧点
该分支可能的祖先 HTU
系统发生树术语
A clade（进化支） is a group of organisms that includes an ancestor and all descendents of that ancestor. 分支树
Step2. 通过矩阵建树 由进化距离构建进化树的方法有很多，常见有：
1. Unweighted Pair Group Method with Arithmetic mean (UPGMA)
多重序列比对及系统发生树的构建
多重序列比对及系统发生树的构建【实验目的】1、熟悉构建分子系统发生树的基本过程，获得使用不同建树方法、建树材料和建树参数对建树结果影响的正确认识；2、掌握使用Clustalx进行序列多重比对的操作方法；3、掌握使用Phylip软件构建系统发生树的操作方法。
【实验原理】在现代分子进化研究中，根据现有生物基因或物种多样性来重建生物的进化史是一个非常重要的问题。
一个可靠的系统发生的推断，将揭示出有关生物进化过程的顺序，有助于我们了解生物进化的历史和进化机制。
对于一个完整的进化树分析需要以下几个步骤：⑴ 要对所分析的多序列目标进行比对（alignment）。
⑵ 要构建一个进化树（phyligenetic tree）。
构建进化树的算法主要分为两类：独立元素法（discrete character methods）和距离依靠法（distance methods）。
所谓独立元素法是指进化树的拓扑形状是由序列上的每个碱基/氨基酸的状态决定的（例如：一个序列上可能包含很多的酶切位点，而每个酶切位点的存在与否是由几个碱基的状态决定的，也就是说一个序列碱基的状态决定着它的酶切位点状态，当多个序列进行进化树分析时，进化树的拓扑形状也就由这些碱基的状态决定了）。
而距离依靠法是指进化树的拓扑形状由两两序列的进化距离决定的。
进化树枝条的长度代表着进化距离。
独立元素法包括最大简约性法（M aximum Parsimony methods）和最大可能性法（Maximum Likelihood methods）；距离依靠法包括除权配对法（UPGMAM）和邻位相连法（Neighbor-joining）。
⑶ 对进化树进行评估，主要采用Bootstraping法。
进化树的构建是一个统计学问题，我们所构建出来的进化树只是对真实的进化关系的评估或者模拟。
如果我们采用了一个适当的方法，那么所构建的进化树就会接近真实的"进化树"。
构建系统发育树的步骤
构建系统发育树的步骤
1. 收集种群样本：首先要选择一组相关的生物种群作为研究对象，并从不同地理区域或时间点采集具有代表性的样本。
2. 提取DNA：从样本中提取DNA，通常使用PCR技术扩增并纯化DNA。
3. 测序：对DNA进行测序，可以通过Sanger测序或高通量测序方法。
4. 序列比对：将不同样本的DNA序列进行比对，查找共有的相同或不同点。
5. 构建系统发育树：根据不同生物之间DNA序列的相似度，对各种生物类群进行分类和排列，以此建立系统发育树。
6. 验证树的假设：进行统计推断和深入分析，验证系统发育树的假设，确保树的枝条和叶节点都具有生物学意义。
7. 解释结果：解释树的拓扑结构和演化关系，关注不同物种或层级之间的相似性和差异性，并从中探究生物的进化历史和机制。
分子进化总结分析—系统发生树的构建要求
系统发育树构建的基本方法
Distance-based methods 基于距离的方法
Unweightedpair group method using arithmetic average (UPGMA) 非加权分组平均法 Minimum evolution(ME)最小进化方法 Neighbor joining(NJ)邻位归并法
打开软件clustalx
• CLUSTALX－是CLUSTAL多重序列比对程序的 Windows版本。Clustal X为进行多重序列和轮廓比 对和分析结果提供一个整体的环境。 序列将显示屏幕的窗口中。采用多色彩的模式可 以在比对中加亮保守区的特征。窗口上面的下拉 菜单可让你选择传统多重比对和轮廓比对需要的 所有选项。
分子进化分析—— 系统发生发育分析是研究物种进化和系统分类的一种 方法，研究对象为携带遗传信息的生物大分子序 列，采用特定的数理统计算法来计算生物间的生 物系统发生的关系。并用系统进化树来概括生物 间的这种亲缘关系。
2
分子系统发育分析
• 系统发育进化树（ Phylogenetic tree) 用一种类似树状分支的图形来概括各种生物之间的亲缘关系。
• 名 称： Uncultured bacterium clone YU201H10 • 序列号： FJ694683 /FJ694514 • 文 献： TITLE Circumpolar synchrony in big river
bacterioplankton • 序列长度：353 • 相 似 比： 99% • 核酸序列 • 分类地位
• Clustalx比对结果是构建系统发育树的前提
具体步骤
• 根据需要，选定要比对的菌株及相应的序 列。将序列COPY至记事本
系统发生树详解
系统发生树构建的步骤一般有下面几步:I,对文件10.8\protein sequence 的序列进行多序列比对,一般用clustalx/w软件完成.这里我们用软件BioEdit内置的clustalw来做多序列比对;II,对clustalw产生的多序列比对文件进行修剪,去掉比对后相似序列中没有对应的序列，前后全部对齐;III,将修剪后的多序列比对文件转换成系统发生软件所需的文件格式并保存.这里我们是采用mega来做系统发生树的,所以须将修剪后的多序列比对文件转成.meg的文件格式;IV,用系统发生软件构树(采用多种方法UPGMA,N-J, Maximum likelihood等);具体做法如下:①将protein sequence 的序列文件导入到BioEdit中做多序列比对,这里有好几种做法: a,将所有的序列文件全部保存在一个txt文件中,然后用BioEdit打开;(该方法比较麻烦) b,用DNASTAR中的Editseq工具将所有文件打开,然后用File菜单中Export all as one…按钮将所有的单蛋白质序列文件保存成一个多蛋白质序列文件,文件格式为.fastac,直接用BioEdit中File>new alignment>import>sequences alignment file(这里需要注意的是在导入序列文件时要将导入文件的类型选为All Files否则BioEdit将默认显示phy, gb, aln等文件而看不到其他文件);(推荐)导入后如图:alignment，如下图：比对后产生文件,其序列如下:③对clustalw产生的多序列比对文件进行修剪, 去掉比对后相似序列中没有对应的序列，前后全部对齐,可以直接用BioEdit的edit mode来做也可以用mega5>align>edit/buildalignment来做这里采用后者;format来导出文件,其文件内容如图:④用mega5建树.File>open a file打开已经转好的文件然后phylogeny下的不同方法UPGMA, N-J, Maximum likelihood得到各种树选择您感兴趣的基因，进行多物种的基因组搜索，将获得的序列进行基因序列特征分析，并构建多序列比对和系统发生树，请阐明选择基因的目的、试验步骤和进行结果分析。
构建系统发生树的方法
构建系统发生树的方法构建系统发生树是一种对于系统进行分析和优化的有效方法，在实践中有许多种方法可以构建系统发生树。
以下是10条关于构建系统发生树的方法，并对每条方法进行详细描述。
1. 系统流程图系统流程图是一种常见的构建系统发生树的方法。
通过对系统的主要流程进行图形化的描述，可以更好地了解系统的组成部分以及它们之间的关系。
系统流程图往往是由开始和结束节点、处理节点和决策节点组成的。
前者用来表示系统的输入和输出，后者则用来表示系统的核心过程和逻辑判断。
2. 系统分层结构图系统分层结构图是将系统按照层次进行组织和描述的一种方法。
通过将系统分解为多个层次，并描述这些层次之间的关系，可以更好地了解系统的组成和结构。
这种方法通常用于处理大型和复杂的系统，能够帮助开发人员更好地管理和优化系统。
3. 系统模块图系统模块图是一种用于展示系统模块和它们之间关系的图形化表示方法。
系统模块图通常由多个模块和模块之间的输入和输出组成。
每个模块通常都对应一个特定的功能或业务逻辑。
通过了解系统中各个模块之间的关系和作用，可以更好地理解系统的架构和逻辑。
4. 系统数据流图系统数据流图是一种用来描述系统数据传输流程的图形化表示方法。
该方法通常由多个数据流和与这些数据流相关的处理过程组成。
每个数据流都对应一个特定的数据，而每个处理过程通常都包含两个或多个数据流。
通过了解系统中各个数据流之间的关系和流动过程，可以更好地理解系统的功能和性能。
5. 系统性能图系统性能图是一种用于展示系统性能指标和变化趋势的图形化表示方法。
该方法通常包括多个参数和变量，比如系统响应时间、吞吐量、并发数等。
通过了解系统性能参数的表现和变化趋势，可以更好地理解系统的性能瓶颈和瓶颈优化的方向。
6. 事件序列图事件序列图是一种用于展示系统中事件和处理过程之间关系的图形化表示方法。
该方法通常由一个或多个故障事件和与之相关的处理过程组成。
通过了解系统中各个事件和处理过程之间的关系，可以更好地了解系统的运行过程和故障排查过程。
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系统发生树构建和分析
姓名________ 学号______________ 分组编号_____ 日期________年___月___日
1.参阅ABC网站有关资料，查阅相关文献，说明以下基本概念
1)分子演化和系统发生
2)序列相似性（Similarity）和序列同源性（Homology）
3)直系同源（Ortholog）和旁系同源（Paralog）
4)核苷酸替换模型和氨基酸替换模型
5)突变速率和分子钟
6)进化分支树（Cladogram）和系统发生树（Phylogram）
7)基因树和物种树
8)无根树和有根树
9)分支和节点
10)内部节点和外部节点
11)根节点和叶节点
12)距离法和位点法
13)最大简约法和最大似然法
2.参阅ABC网站中有关资料，查阅相关文献，回答以下问题
1)构建系统发生树的基本步骤
2)构建系统发生树时选择核苷酸序列或氨基酸序列的原则
3)利用自举法（Bootstrap）检验系统发生树稳定性的原理
4)确定无根树根节点的方法
5)如何通过所构建的系统发生树判断“先有物种”还是“先有基因”
6)不同建树方法的基本原理和特点
3.人珠蛋白基因家族系统发生树实例
1)以人珠蛋白基因家族12个成员蛋白质序列，用MEGA邻接法构建系统发生树；选
择不同氨基酸替换模型（Substitution Model），比较所构建的系统发生树的拓扑结
构和稳定性值（Bootstrap value），说明不同替换模型对结果的影响。
2)以人珠蛋白基因家族12个成员编码区序列，用MEGA 邻接法构建系统发生树；，
选择不同核苷酸替换模型，比较所构建的系统发生树的拓扑结构和稳定性值
（Bootstrap value），说明不同替换模型对结果的影响。
3)根据所构建的系统发生树，参阅Burmester 和Hardision论文，说明人珠蛋白基因
家族12个成员之间的演化关系。
4.人、小鼠和大鼠三个物种珠蛋白家族系统发生树实例
1)以人、小鼠和大鼠三个物种珠蛋白家族37个成员编码区序列，采用邻接法、最大
简约法和最大似然法构建系统发育树，选择适当的替换模型和参数，比较采用不同
方法、不同模型和不同参数时所构建的系统发生树的拓扑结构和稳定性值。
2)根据上述人、小鼠和大鼠三个物种珠蛋白家族37个成员编码区序列系统发生树，
参阅相关文献，说明珠蛋白基因家族的起源和演化。
5.血红蛋白alpha亚基系统发生树实例
1)从脊椎动物中选取若干代表性物种，根据传统分类学知识，描述它们之间的系统发
生关系，用MEGA软件中User Tree/Display Newick trees绘制系统发生树。
2)从UniProt中提取上述代表性物种的血红蛋白alpha亚基氨基酸序列，用MEGA 构
建系统发生树；选择适当的方法、模型和参数，以获得稳定性较好的系统发生树。
比较所构建的系统发生树与基于传统分类学的系统发生树的异同。
6.课题相关系统发生树构建
1)基于课题相关蛋白质或基因家族，选择代表性物种，根据传统分类学知识，描述它
们之间的系统发生关系，用MEGA软件中User Tree/Display Newick trees绘制系统
发生树。
2)从UniProt中提取上述代表性物种的蛋白质序列，用MEGA 构建系统发生树；选
择适当的方法、模型和参数，以获得稳定性较好的系统发生树。
比较所构建的系统
发生树与基于传统分类学的系统发生树的异同。
3)从RefSeq或GenBank中提取上述代表性物种的核苷酸序列，用MEGA 构建系统
发生树；选择适当的方法、模型和参数，以获得稳定性较好的系统发生树。
比较所
构建的系统发生树与基于传统分类学的系统发生树的异同。
4)分析所构建的系统发生树，阅读相关文献，说明系统发生分析对课题研究的作用。