系统发生网络构建算法分析及平台搭建

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系统发生学是研究物种进化关系的一门科学,其中系统树的构建,系统发生网络的构建,系统发生网络之间的距离计算都是系统发生学的重要研究方向。但到目前为止,没有平台能有效融合这些算法,导致研究者在构建树或网络时往往需要使用多个软件,从而耗费大量的时间和精力。本文主要对邻接法及其改进算法,Cass算法及其改进算法,计算树之间距离以及网络之间距离的算法进行了深入的研究和算法实现,并搭建了一个可视化平台,将上述算法集成在一起,从而满足用户在多个方面的系统树及系统发生网络的构建需求。本文在关于构建系统树的邻接法方面,分析并实现了邻接法的重要改进算法:INJ算法和ENJ算法。这两种算法有效降低了使用邻接法构造系统树的时间复杂度。在构建系统发生网络的Cass算法方面,本文分析并实现了LNetwork算法、BIMLR算法以及Frin算法。在计算系统树之间距离的问题上,本文实现了簇算法、分割算法、三倍数算法以及等价算法。在计算系统发生网络之间距离的问题上,本文实现了等价算法、半等价算法、三分割算法以及向量算法。本文通过对以上算法的深入分析与实现,搭建了一个系统树及系统发生网络的可视化平台:PTNB软件(Phylogenetic Tree/Network Builder),该可视化软件实现了以上算法,并将树与网络的表达式可视化为图形,实现了矩形图,斜线图,分支长度比例图多种形式的可视化系统树以及系统发生网络。为了评估本文中所使用的系统树构建算法,本文进行了Bootstrap实验分析。本文通过对真实数据H1N1病毒的核苷酸序列抽样,比对了INJ算法和ENJ算法,实验结果显示,两个算法在提升邻接法构建系统树的速度的同时,分支的自展支持度并没有下降。本文还分析H1N1数据的GC含量,数据的GC含量都在40%左右,这证明DNA的密度不是很高,同时热及碱易使之变性。最后本文将PTNB软件和多个系统发生网络构建软件进行了对比,对比结果显示PTNB是相对来说比较全面的软件,其覆盖了多个方面的算法。
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