如何解读TCS网络图

#编者信息

熊荣川

明湖实验室

xiongrongchuan@126.com

http://blog.sciencenet.cn/u/Bearjazz

——一篇PNAS文献范例

编译：Bearjazz

在研究种下水平的系统发育关系时，常常使用网络图来探究种群间的基因谱系关系。其中TCS是一款较为简单易用的软件^[1]。我们曾在科学网博客上介绍过它的简单使用步骤（绘制基于分子数据的TCS网络图的基本步骤，http://blog.sciencenet.cn/blog-508298-505843.html）。然后拿到结果怎么解读，其说明书并没有详细说明。下面介绍一篇PNAS文献中的TCS的网络图^[2]，也许可以为大家今后解读TCS软件构建的网络图能有所启示。

上图为采自全世界345个种群芦苇属叶绿体基因单倍型多样性简约网络图。单倍型之间的连结代表突变差异，插入也作为一个特征。未标记的节点表示推断出来的突变步骤，且没有在样品中实际观察到。回路结构是趋同演化的结果。矩形框代表祖先（或根部）单倍型。

原文：

Figure 1 Parsimonynetwork of Phragmites chloroplasthaplotype diversity obtained from sampling 345 populations worldwide. Each linkbetween haplotypes represents one mutational difference, following coding ofindels as single characters. Unlabeled nodes indicate inferred steps not foundin the sampled populations. Loops in the network are the result of homoplasiesin the number of repeats in some indels. The ancestral haplotype, or root ofthe network, is indicated by a square. Geographic distribution of haplotypes isas follows: North America = haplotypes A-H, S, Z, AA, I, and M; South America =I and Y; Europe = L-O, and T; Asia/Australia = I, J, L, M, O, P, Q, U, W, andX; Africa = K, M, R, and V.

参考文献

[1 ].       Clement, M., D. Posada,K.A. Crandall. 2000.TCS: a computer program to estimate gene genealogies.Molecular Ecology,  9 (10): 1657-1659.

[2 ].       Saltonstall, K. 2002.Cryptic invasion bya non-native genotype of the common reed, Phragmites australis, into NorthAmerica. Proceedings of the National Academy of Sciences,  99 (4): 2445-2449.

TCS网络图解读之没有跨种群的共享单倍型

TCS和聚类分析表明，日本稻蝗种群并没有明显向某一方向的扩散趋势。在所有的单倍型中，共享单倍型仅存在与同一种群内，不同种群和不同组间均不存在共享单倍型。这种单倍型的分布方式可能是由于地理隔离导致短时期内种群之间基因交流较少造成的，此外，较短的迁徙能力也是影响基因流的原因。在聚类树种，所有个体均以种群为单位首先相聚为一支网络结构图也表明，同一种群的个体率先相连。这可能由于该物种对栖息地中的水环境要求较高，同时喜食禾本科植物，对生境的要求也限制了该物种的迁徙能力，并在一定程度上对迁移路线进行了选择，影响种群之间的基因交流。

参考文献

李涛 (2011). 稻蝗属遗传多样性及其生态适应博士, 山西大学.

这些共享单倍型仅分布于各个种群内部，种群间和组间不存在共享单倍型。在同一地域的不同种群之间有频繁的基因交流，但是不同地域之间的种群基因交流不明显。得到的三个不相连的网络结构图，同时聚类树结构也显示出三个深度分歧的拓扑结构，说明三个组之间经历了长时间的时空隔离。

参考文献

李涛 (2011). 稻蝗属遗传多样性及其生态适应博士, 山西大学.

多次局部扩张

根据各单倍型的最大简约(MP)网络关系( 图 3), 各地方种群中的单倍型呈现一种混杂的分布格局。除来自广西 (GX)和四川( SC)的单倍型同其它单倍型关系较远外大部分单倍型之间仅有一到两步突变, 演化关系呈现多个星状辐射, 显示出黑斑蛙种群在历史上曾发生多次局部扩张。

TCS巢式聚类过程

图5-4金线蛙的单倍型网络图，方框代表古老的单倍型，圆圈面积代表单倍型频率，小空心圆圈代表缺

失或未采样到的祖先单倍型。分成NetworkA, B, C, D四个独立的网络结构。

Fig.S-4Haplotype networks of Pelophylax plancyi complex.Each haplotype is representedby a circle. The

sizesof the circles are proportional to corresponding haplotype frequeneies.Small unfilledcircles represent

hypothetical而ssing or unsampled ancestral haplotypes.It containsnetwork A.  B } C and D.

TCS巢式支序图、巢式支序分析伽（NCA)探讨种群进化历史。

首先使用TCS软件以构建巢式支序图,该软件都在JAvA(Sun)的虚拟机JZREI.5上运行。使用Crandall and Tenpleton(1993)的方法进行嵌套支关系划分。这样得到的网络关系树是一种无根的系统进化树,各单倍型之间由突变连接。然后按照Templeton等(1987,1992)组巢原则构建单倍型巢式支系图:处在网络关系树边缘、只与一个支系或单倍型连接的支系或单倍型称为末支(tip clade),而与一个以上支系或单倍型连接的支系或单倍型称为内支(inierior clade);通常认为,在同一支系内,末支和内支分别代表了在进化上较晚和较早的支系或单倍型(Castelloe&Templeton,1994)。组巢的基本原则是从单倍型水平开始,将末支与其相连的内支组为一个一级支系;之后再对一级支系对应的末支、内支组巢成为二级支系,直到单倍型网络关系树组为一个大的完整支系为止。

参考文献

刘奎 (2009). 基于线粒体cytb基因序列的金线蛙分子系统地理学硕士, 首都师范大学.

没出现明显种群扩张

判断种群是否发生过种群扩张还有其他依据，如可通过 TCS 网络图进行简单判断。如TCS 网络图呈单一星状散射分布，说明该群体曾经在越到瓶颈后迅速扩增（So et al,2006；Bruyn et al,2004）。另一种方法是通过对单倍型多样性与核苷酸多样性简单分析。（1）单倍型多样性和核苷酸多样性的变异均低（Hd＜0.5，Pi＜0.005），意味着最近发生过种群的瓶颈效应或由单一、少数种群所产生的建立者效应。（2）单倍型多样性高而核苷酸多样性低，预示着群体曾经历过瓶颈效应后，伴随了迅速的种群扩张与变异的积累。（3）单倍型多样性低而核苷酸多样性高，提示可能是来自两个独立种群发生的二次接触所导致，或者是一个大而稳定的种群中发生过瓶颈效应。（4）高单倍型多样性和高核苷酸多样性，表明一个大而稳定的种群经过长时间演化所产生或是两个不同系群的种群二次接触（Grant  et al,1998）。但利用 Tajima’sD 和 Fu’s  Fs  中性检验分析种群扩张更为准确。本研究中整体斑鳜 Tajima’sD 和 Fu’s  Fs  中性检验为正值、核苷酸不配对分析图呈多峰、单倍型 TCS 简约网络图并不是单一星状分布，这些都说明总体斑鳜历史上并没出现明显种群扩张。

参考文献

邓春兴 (2014). 基于COI基因序列的中国东南沿海四指马鲅属鱼类的遗传多样性分析硕士, 暨南大学.

多基因的网络图相互补充信息

16SrRNA序列构建的单倍型网络图说明，日本、美国、中国的克氏原螯虾有一个共享单倍型Hap_S1，且该单倍型为内支单倍型；中国、日本种群共享一个美国种群没有的单倍型Hap_S2，说明中国、日本种群进化上稍晚，中国、日本种群的关系更近，进一步佐证中国小龙虾是从日本引进的。如果单看，COI基因，日本、中国种群共享的单倍型Hap_C1是唯一内支，看不出它们比美国种群晚的信息。

参考文献

李艳和. 2013. 克氏原螯虾在我国的入侵遗传学研究博士, 华中农业大学.

单倍型发出线条数目的解读

在单倍型网络图中发现，单倍型Hap_12作为中心向其他单倍型发散，推断Hap_12是古老单倍型（由其发出的连线最多，它和其它单倍型的联系最为密切）。其余单倍型Hap_6，Hap_10，Hap_19和Hap_24 也形成一个小的中心，含有个体数也较多，各单倍型之间的突变步数1～3步不等，但各种群之间都围绕在周围，和地理距离相距较近有关，以地理距离形成了较小的结构。天祝种群（TZ）的单倍型和民和种群（MH）单倍型相距较近（TZ种群有3个单倍型，其中2个与种群MH关联，1个与HZ种群关联），推测TZ和MH有相同的母系起源，由于缺乏周边如黄土高原的样本，有关其演化迁移方向有待进一步研究。

参考文献

苏军虎. 2014. 青藏高原东缘两类典型土著动物种群遗传结构分析博士, 甘肃农业大学.