Практикум 2: филогенетическая реконструкция и сравнение деревьев

Исходные данные

Для анализа использованы последовательности митохондриального белка цитохрома b 12 видов хищных (список см. в практикуме 1). Последовательности извлечены из Swiss‑Prot по мнемоникам CYB_*. Выравнивание выполнено программой MUSCLE, затем конвертировано в формат PHYLIP с помощью Python Bio.AlignIO.

Реконструкция деревьев

Все деревья построены по выравниванию аминокислотных последовательностей цитохрома b (cyb-alignment.fasta → cyb.phy).

1. Дерево методом минимальной эволюции (ME), модель p‑distance

Последовательности: цитохром b (аминокислотные)
Модель эволюции: p‑distance (доля различий без поправки)
Алгоритм реконструкции: Minimal evolution (метод минимальной эволюции)
Программа: FastME (fastme -i cyb.phy -o p-distance_cyb.phy -pp)

Дерево ME p-distance — **Рисунок 1.** Дерево, построенное методом минимальной эволюции (ME) с моделью p‑distance (FastME).

Ошибки реконструкции по сравнению с таксономией: Дерево в целом отражает основные клады (Felidae, Canidae, Ursidae), однако внутри семейства Felidae наблюдается неверное группирование: Panthera tigris (PANTI) оказывается ближе к Felis silvestris (FELSI) и Felis catus (FELCA), тогда как по таксономии ближайшим родственником тигра является лев (Panthera leo). Это связано с тем, что модель p‑distance не учитывает множественные замены и вариабельность скоростей эволюции по сайтам, что приводит к искажению расстояний для быстро эволюционирующих линий.

2. Дерево методом минимальной эволюции (ME) с митохондриальной моделью MtREV

Последовательности: цитохром b
Модель эволюции: MtREV (специфическая для митохондриальных белков)
Алгоритм реконструкции: Minimal evolution (метод минимальной эволюции)
Программа: FastME (fastme -i cyb.phy -o MtREV_cyb.phy -pM)

Дерево ME MtREV — **Рисунок 2.** Дерево, построенное методом минимальной эволюции (ME) с моделью MtREV (FastME).

Ошибки реконструкции: Дерево полностью совпадает с таксономическим (см. Рисунок 4). Использование модели, учитывающей особенности эволюции митохондриальных белков (MtREV), даёт точную топологию без ошибок. Это подтверждает важность выбора адекватной модели эволюции.

3. Дерево методом максимального правдоподобия (ML)

Последовательности: цитохром b
Модель эволюции: автоматически выбрана IQ‑TREE по информационному критерию BIC (в результате выбрана модель MtREV+F+R4)
Алгоритм реконструкции: максимального правдоподобия (Maximum Likelihood, ML)
Программа: IQ‑TREE (iqtree -s cyb.phy)

ML дерево IQ‑TREE — **Рисунок 3.** Дерево, построенное методом максимального правдоподобия (IQ‑TREE). Числа на ветвях – поддержка UFBS.

Ошибки реконструкции: Топология в целом близка к таксономической, однако наблюдается искажение внутри клады Canidae: Canis lupus (CANLU) оказывается предковым по отношению к Canis aureus (CANAU), тогда как в таксономическом дереве эти два вида являются сестринскими. Это может быть связано с недостаточной филогенетической информативностью участка цитохрома b для разрешения недавних дивергенций внутри рода Canis (короткая внутренняя ветвь и возможная гомоплазия).

Таксономическое (референсное) дерево

**Рисунок 4.** Таксономическое дерево, использованное для сравнения.

Сравнение методов и выводы

ME + p‑distance: самая простая модель, дала ошибку в группировке пантер. Чувствительна к насыщению замен и неприменима для быстро эволюционирующих белков.
ME + MtREV: модель, специально созданная для митохондриальных белков, восстановила точную топологию без ошибок. Показала, что выбор правильной модели важнее выбора алгоритма (ME vs ML).
ML (IQ‑TREE): наиболее вычислительно сложный метод; дал результат, близкий к MtREV, но с небольшой ошибкой в кладе Canis (вероятно, из-за низкой разрешающей способности данного участка для этих видов). При этом поддержки бутстрепа для спорной ветви были умеренными, что указывает на неуверенность реконструкции.

Все выравнивания, деревья и скрипты находятся в каталоге ~/term4/pr2/.