ggtree — 基于 ggplot2 的 R 进化树可视化包¶

一句话说明¶

ggtree 是 Bioconductor 上的 R 包，用 ggplot2 的图层语法来画进化树——先画树骨架，再一层一层叠加热图、点图、文字注释等，和画普通 ggplot2 图一样直觉。白话理解：进化树的"ggplot2版本"，叠图层就行。

安装与配置¶

# 安装 Bioconductor 管理器（首次）
if (!requireNamespace("BiocManager", quietly = TRUE))
  install.packages("BiocManager")

# 安装 ggtree 及常用配套包
BiocManager::install(c(
  "ggtree",          # 核心包，进化树可视化
  "treeio",          # 读取各种树格式（IQ-TREE/BEAST/MrBayes输出）
  "ggtreeExtra",     # 在树外圈添加热图/条形图等面板
  "ggplot2",         # 图形语法基础
  "ggstar"           # 各种星形/特殊形状节点
))

# 确认安装版本
packageVersion("ggtree")  # 当前稳定版 ≥ 3.10（Bioc 3.18）

核心用法¶

读树并画基础树¶

library(ggtree)   # 加载 ggtree
library(treeio)   # 加载 treeio（读各种格式）

# 读 Newick 格式树
tree <- read.tree("my_tree.nwk")     # 读取 Newick 文件
# 读 IQ-TREE 输出（含 bootstrap 支持值）
tree <- read.iqtree("my_tree.treefile")  # 读 IQ-TREE 结果文件

# 画最简单的矩形进化树
ggtree(tree) +
  geom_tiplab(size = 3)  # 在叶节点旁边显示名称，字号3

常用树型¶

# 矩形树（默认）
p1 <- ggtree(tree, layout = "rectangular")

# 圆形/辐射树（微生物多样性常用）
p2 <- ggtree(tree, layout = "circular")

# 扇形树（去掉根的圆形）
p3 <- ggtree(tree, layout = "fan", open.angle = 30)  # 开口角度30度

# 无根树
p4 <- ggtree(tree, layout = "unrooted")

参数详解¶

函数	作用	常用参数
`ggtree()`	画树骨架	`layout`, `color`, `size`, `linetype`
`geom_tiplab()`	叶节点标签	`size`, `color`, `offset`, `align`
`geom_tippoint()`	叶节点点	`aes(color=xxx)`, `size`
`geom_nodelab()`	内部节点标签（支持值）	`aes(label=bootstrap)`
`geom_hilight()`	高亮某个分支	`node`, `fill`, `alpha`
`geom_cladelab()`	在分支外加弧形标注	`node`, `label`, `color`
`gheatmap()`	在树旁边加热图	`data`, `width`, `offset`
`facet_plot()`	在树旁边加条形图/点图等	`data`, `geom`, `mapping`

实战案例¶

案例1：给分支着色 + 添加支持值¶

library(ggtree)
library(ggplot2)

tree <- read.iqtree("bacteria.treefile")  # 读 IQ-TREE 输出

ggtree(tree, aes(color = SH_alrt > 80)) +  # 按 SH-aLRT 支持值着色分支
  scale_color_manual(
    values = c("TRUE" = "black", "FALSE" = "gray70"),  # 高支持=黑，低支持=灰
    name = "SH-aLRT > 80"                               # 图例名称
  ) +
  geom_nodelab(                                          # 显示节点支持值
    aes(label = ifelse(SH_alrt > 80, SH_alrt, "")),    # 只显示高支持值
    size = 2, hjust = -0.1                               # 字号2，稍微右移
  ) +
  geom_tiplab(size = 2, offset = 0.01) +                # 叶标签，字号2
  theme_tree2()                                          # 加上刻度轴

案例2：进化树 + 物种丰度热图（宏基因组常用）¶

library(ggtree)
library(ggtreeExtra)
library(ggplot2)

# 准备数据
tree <- read.tree("otu_tree.nwk")           # 读 OTU 树

# OTU 丰度数据框：行为 OTU，列为样本
abund_df <- read.csv("otu_abund.csv",       # 读丰度矩阵
                     row.names = 1)

# 画树
p <- ggtree(tree, layout = "circular",      # 圆形布局
            size = 0.3) +                   # 分支线宽
  geom_tiplab(size = 1.5, offset = 0.5)    # 叶名

# 在圆形树外圈叠加热图
p + geom_fruit(
  data = abund_df,                          # 丰度数据
  geom = geom_tile,                         # 用瓦片图呈现
  mapping = aes(y = rownames(abund_df),     # y轴对应叶节点名
                x = variable,              # x轴为样本名
                fill = value),             # 颜色=丰度值
  offset = 0.08,                           # 离树的距离
  pwidth = 0.5                             # 热图宽度占比
) +
  scale_fill_viridis_c(name = "Abundance") # 用 viridis 配色

案例3：高亮特定门的分支¶

# 找到某个分支的节点编号（MRCA = 最近公共祖先）
mrca_node <- MRCA(tree, c("OTU001", "OTU012"))  # 找 OTU001 和 OTU012 的共同祖先

ggtree(tree) +
  geom_hilight(                                   # 高亮分支
    node = mrca_node,                             # 指定节点
    fill = "#2ca02c",                             # 高亮颜色：绿色
    alpha = 0.3                                   # 透明度
  ) +
  geom_cladelab(                                  # 在分支外添加弧形标签
    node = mrca_node,
    label = "Firmicutes",                         # 标签文字
    color = "#2ca02c",                            # 标签颜色
    offset = 0.5,                                 # 标签离树的距离
    fontsize = 4                                  # 字号
  ) +
  geom_tiplab(size = 2)

常见报错与解决¶

报错	原因	解决方法
`Error in match.arg(layout)`	layout 参数拼写错误	检查：rectangular/circular/fan/unrooted
热图叶名不对齐	丰度矩阵行名与树叶名不一致	`intersect()` 检查共同节点名
节点编号不对	内部节点从 N+1 开始（N=叶数）	`ggtree(tree) + geom_text(aes(label=node))` 查看编号
`gheatmap()` 图例重叠	多个连续变量共用图例	`guides(fill = "none")` 关闭某层图例
输出图片文字缺失	ggplot2 PDF 中文字体问题	`cairo_pdf()` 或 `showtext` 包

速查表¶

# 安装
BiocManager::install("ggtree")

# 读树（treeio）
read.tree()     # Newick
read.nexus()    # Nexus
read.iqtree()   # IQ-TREE（含支持值）
read.beast()    # BEAST 贝叶斯

# 常用 layout
"rectangular"  "circular"  "fan"  "unrooted"  "daylight"  "equal_angle"

# 查节点编号
ggtree(tree) + geom_text(aes(label = node), size = 2)

# 保存图片
ggsave("tree.pdf", width = 12, height = 10)  # 保存为 PDF
ggsave("tree.png", dpi = 300, width = 12, height = 10)  # 保存为 PNG