菌群多样性研究之常用β多样性分析方法的应用场景和特点

学术   科学   2024-10-12 09:00   上海  

在生态学和多样性分析中,PCA、PCoA、NMDS、PLS-DA、RDA/CCA 是常用的数据降维和可视化技术。每种方法都有其特定的应用场景和特点。


方法

全称

类型

数据要求和特征

适用场景和特点

PCA

主成分分析

Principal Component Analysis

线性降维方法

- 适用于定量数据(数值型)

- 假设数据具有线性结构

- 寻找最大方差方向

- 用于数据简化和噪声去除

- 分析变量间的相关性

PCoA

主坐标分析

Principal Coordinates Analysis

距离矩阵分析

- 基于样本间的距离矩阵

- 可使用任何距离度量(如EuclideanBray-Curtis

- 适用于任何形式的距离或相似性数据

- 显示样本之间的相似关系

NMDS

非度量多维尺度分析

Non-metric Multidimensional Scaling

距离矩阵分析(非线性)

- 仅依赖距离矩阵

- 非参数方法,适合非线性数据

- 适合处理非线性、高维数据

- 保留样本间的相对距离和排序关系

PLS-DA

偏最小二乘判别分析

Partial Least Squares Discriminant Analysis

监督学习方法

- 适用于定量数据

- 结合PCA和回归分析

- 强调变量间的差异

- 用于分类和组间差异分析

RDA/CCA

冗余分析/典范对应分析(Redundancy  Analysis/Canonical Correspondence Analysis

约束排序方法

- 包含环境变量

- RDA适用于线性关系

- CCA适用于非线性关系

- 分析物种与环境变量的关系

- 解释环境变量对群落结构的影响

PCA、PCoA、NMDS、PLS-DA、RDA/CCA分析的区别?

通常会基于Beta多样性分析得到的距离矩阵,再进行PCA、PCoA、NMDS等分析。

1) PCA是基于欧式距离(即物种丰度矩阵)来寻找主成分。这种方法可以有效的找出数据中最“主要”的元素和结构,去除噪音和冗余,将原有的复杂数据降维,揭示隐藏在复杂数据背后的简单结构;
2) PCoA是基于欧式距离以外的其他距离(如Bray Curtis距离,(un)Weighted Unifrac距离)来寻找主坐标,是一种与PCA类似的分析方法。通过一系列的特征值和特征向量排序,从多维数据中提取出最主要的元素和结构。基于欧式距离的PCoA就是我们所熟悉的PCA;
3) NMDS可以基于距离矩阵对对象进行排序,是一种将多维空间的研究对象(样本或变量)简化到低维空间进行定位、分析和归类,同时又保留对象间原始关系的数据分析方法。与PCoA不同的是,NMDS不再基于距离矩阵数值,而是基于排位顺序进行计算,是非线性模型分析方法,能更好的反映生态学数据的非线性结构;
4) PLS-DA使用偏最小二乘法判别分析法建立微生物含量与样本类别之间的关系模型,实现对样本类别的预测。PLS-DA是一种有监督有模型的分析方法,也就是在分析数据时,已知样本的分组关系。这种监督模式通常可以更好地确立样本关系,最大程度地反映分类组别之间的差异。而PCA、PCoA和NMDS分析是无监督的方法;
5) RDA/CCA分析属于约束性数据降维分析方法,即分别是在环境因子的约束条件下进行的PCA和PCoA分析。


  • 一般利用PCA、PCoA、NMDS或PLS-DA分析进行样本间比较,反映样本间群落结构的相似性和差异性。

  • RDA/CCA分析用来描述环境因子对样本群落结构变化的影响,反映样本、物种和环境因子三者之间的关系,找出对物种分布变化影响程度较大的环境因子。


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