基于生物云平台的微生物多样性分析方法及系统

摘要

本发明公开一种基于生物云平台的微生物多样性分析方法及系统，能够提高微生物多样性分析的效率。方法包括：从云端数据库中获取用户指定的路径对应的测序数据；利用所述路径和预设的参数生成配置文件和任务执行命令；基于所述任务执行命令，利用所述配置文件对所述测序数据进行基本分析，并在基本分析结束后，将基本分析的结果以报告和/或图表的形式进行展示。

说明书

技术领域

本发明涉及生物信息分析技术领域，具体涉及一种基于生物云 平台的微生物多样性分析方法及系统。

背景技术

微生物是地球上已知种类最多、数量最大、分布最广的生物类 群。它对环境敏感，反应迅速，与环境和生命体密不可分。微生物 多样性研究采用宏基因组测序方法，以特定环境中的整个微生物群 落作为研究的对象，不需对微生物进行分离培养，而是提取环境微 生物总DNA进行研究。摆脱了传统研究中微生物分离培养的技术 限制，采用新一代高通量测序技术对环境微生物样品的DNA直接测 序。能满足常规微生物群体的物种分类研究、群落结构、系统进化、 基因功能分析以及物种间的代谢网络等分析的要求。

现有的微生物多样性分析方法大致分为：PCR(聚合酶链反应) 扩增，混样，建库及测序，上端测序数据合并，OTU(操作分类单 元)聚类，然后对测序数据进行物种分类分析。现有技术的业务线 流程采用手动的方式，工作效率较低。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于生物云平台的微生物多样性 分析方法及系统，能够提高微生物多样性分析的效率。

为此目的，一方面，本发明提出一种基于生物云平台的微生物 多样性分析系统，包括：

用户界面模块、请求分析模块、综合分析模块和图表呈现模块； 其中，

所述用户界面模块，用于根据用户的操作生成用户请求，并将 所述用户请求发送给所述请求分析模块，其中，所述用户请求中包 括用户指定的参数，从云端数据库中获取用户指定的测序数据的第 一请求信息，以及对所述测序数据进行分析的第二请求信息，所述 第一请求信息中包括所述测序数据的路径，

所述请求分析模块，用于接收所述用户请求，通过对所述用户 请求进行解析，得到所述参数、第一请求信息和第二请求信息，基 于所述第二请求信息，利用所述参数和所述第一请求信息中的测序 数据的路径生成配置文件和任务执行命令，基于所述第一请求信息， 利用所述第一请求信息中的测序数据的路径，从云端数据库中获取 所述路径对应的测序数据，并将所述配置文件、任务执行命令和测 序数据发送给所述综合分析模块，其中，所述云端数据库中存储有 所述测序数据，

所述综合分析模块，用于接收所述配置文件、任务执行命令和 测序数据，基于所述任务执行命令，利用所述配置文件对所述测序 数据进行基本分析，得到基本分析的结果，将所述基本分析的结果 存储至所述云端数据库中，并在基本分析结束后生成基本分析结束 的标志性文件，

所述图表呈现模块，用于搜索基本分析结束的标志性文件，并 在搜索到所述基本分析结束的标志性文件时，从所述云端数据库中 获取所述基本分析的结果，并将所述基本分析的结果以报告和/或图 表的形式进行展示。

另一方面，本发明提出一种基于生物云平台的微生物多样性分 析方法，包括：

从云端数据库中获取用户指定的路径对应的测序数据；

利用所述路径和预设的参数生成配置文件和任务执行命令；

基于所述任务执行命令，利用所述配置文件对所述测序数据进 行基本分析，并在基本分析结束后，将基本分析的结果以报告和/或 图表的形式进行展示。

本发明实施例所述的基于生物云平台的微生物多样性分析方法 及系统，用户可以自由选择测序数据，自定义所需参数，利用所述 参数和测序数据的路径生成配置文件和任务执行命令，基于所述任 务执行命令，利用所述配置文件对所述测序数据进行基本分析，并 以报告和/或图表的形式呈现，因而相较于采用手动方式进行分析的 现有技术，本发明采用自动的方式进行分析，能够提高微生物多样 性分析的效率。

附图说明

图1为本发明一种基于生物云平台的微生物多样性分析系统一 实施例的结构示意图；

图2为测序数据导入及参数输入或选择的界面的示意图；

图3为对导入的测序数据删除、分组，以及输入分组类型的界 面的示意图；

图4为在图3中对样品在不同分组类型下分组后的示意图；

图5为参数输入完成后的的确认窗口的示意图；

图6为图5中未显示的部分示意图；

图7为基本分析生成的标准化报告的示意图；

图8为图7中右上角显示的内容的示意图；

图9为个性化分析中物种复杂度分析的样品选择和参数输入的 界面示意图；

图10为个性化分析中组间差异分析的样品选择和参数输入的界 面示意图；

图11为个性化分析中物种差异分析的样品选择和参数输入的界 面示意图；

图12为个性化分析中物种复杂度分析的样品信息选择窗口意 图；

图13为个性化分析中物种差异分析的样品选择窗口示意图；

图14为本发明一种基于生物云平台的微生物多样性分析方法一 实施例的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将 结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没 有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明 保护的范围。

参看图1，本实施例公开一种基于生物云平台的微生物多样性分 析系统，包括：

用户界面模块1、请求分析模块2、综合分析模块3和图表呈现 模块4；其中，

所述用户界面模块1，用于根据用户的操作生成用户请求，并将 所述用户请求发送给所述请求分析模块2，其中，所述用户请求中包 括用户指定的参数，从云端数据库中获取用户指定的测序数据的第 一请求信息，以及对所述测序数据进行分析的第二请求信息，所述 第一请求信息中包括所述测序数据的路径，

所述请求分析模块2，用于接收所述用户请求，通过对所述用户 请求进行解析，得到所述参数、第一请求信息和第二请求信息，基 于所述第二请求信息，利用所述参数和所述第一请求信息中的测序 数据的路径生成配置文件和任务执行命令，基于所述第一请求信息， 利用所述第一请求信息中的测序数据的路径，从云端数据库中获取 所述路径对应的测序数据，并将所述配置文件、任务执行命令和测 序数据发送给所述综合分析模块3，其中，所述云端数据库中存储有 所述测序数据，

所述综合分析模块3，用于接收所述配置文件、任务执行命令和 测序数据，基于所述任务执行命令，利用所述配置文件对所述测序 数据进行基本分析，得到基本分析的结果，将所述基本分析的结果 存储至所述云端数据库中，并在基本分析结束后生成基本分析结束 的标志性文件，

所述图表呈现模块4，用于搜索基本分析结束的标志性文件，并 在搜索到所述基本分析结束的标志性文件时，从所述云端数据库中 获取所述基本分析的结果，并将所述基本分析的结果以报告和/或图 表的形式进行展示。

用户界面模块、请求分析模块、综合分析模块和图表呈现模块 这些模块操作均基于html5+css3+js的前端页面和java服务器后台， 综合分析模块接收到任务执行命令后，通过调动Perl、C、Python、 R等计算机语言的服务器端脚本对测序数据进行基本分析。图表呈 现模块也可以对用户指定的参数和测序数据进行显示，以使用户重 新确定需要的参数和测序数据(包括选择、重命名、删除、命名分 组名称，添加分组等操作)进行分析。

本发明实施例所述的基于生物云平台的微生物多样性分析系 统，用户可以自由选择测序数据，自定义所需参数，利用所述参数 和测序数据的路径生成配置文件和任务执行命令，基于所述任务执 行命令，利用所述配置文件对所述测序数据进行基本分析，并以报 告和/或图表的形式呈现，因而相较于采用手动方式进行分析的现有 技术，本发明采用自动的方式进行分析，能够提高微生物多样性分 析的效率。

可选地，在本发明基于生物云平台的微生物多样性分析系统的 另一实施例中，还包括：

个性化分析模块；其中，

所述个性化分析模块，获取所述基本分析的结果，对所述基本 分析的结果进行个性化分析，得到个性化分析的结果，将所述个性 化分析的结果存储至所述云端数据库中，并在个性化分析结束后生 成个性化分析结束的标志性文件，

所述图表呈现模块，还用于搜索个性化分析结束的标志性文件， 并在搜索到所述个性化分析结束的标志性文件时，从所述云端数据 库中获取所述个性化分析的结果，并将所述个性化分析的结果以报 告和/或图表的形式进行展示。

整个微生物多样性分析包含基本分析和个性化分析两部分，个 性化分析是在基本分析的基础上做进一步分析，提高基本分析所得 数据的利用效率，有针对的、更深层的挖掘数据信息，使得微生物 多样性分析方式不再局限于传统业务线流程的单一性，提高了微生 物多样性分析的效率和数据利用率，一个基本数据分析可做无限次 个性化分析，节省了时间和实验成本。

本发明实施例中，个性化分析的流程与本发明基本分析一致， 所采用的方法可以为现有的个性化分析方法，本发明对此不在赘述。 另外，个性化分析所使用的数据除了基本分析生成的分析结果之外， 还可以使用用户上传的符合个性化分析要求的数据。

可选地，在本发明基于生物云平台的微生物多样性分析系统的 另一实施例中，所述综合分析模块，用于对所述测序数据进行数据 评估、OTU聚类和分类学分析、样品/组间OTU比较、物种注释及 分类学分析、Apha多样性分析、Beta多样性分析和/或组间物种差 异性分析。

可选地，在本发明基于生物云平台的微生物多样性分析系统的 另一实施例中，所述综合分析模块在对所述测序数据进行分析的不 同阶段，从其存储的分析软件中选取相应的分析软件对所述测序数 据进行分析。

可选地，在本发明基于生物云平台的微生物多样性分析系统的 另一实施例中，所述报告的格式为xml。

可选地，在本发明基于生物云平台的微生物多样性分析系统的 另一实施例中，所述综合分析模块，还用于将所述基本分析的结果 通过所述请求分析模块传输给所述云端数据库所在的云端服务器， 以使所述云端服务器将所述基本分析的结果存储至所述云端数据 库，

所述请求分析模块，还用于接收用户通过所述图表呈现模块发 送的下载指令，根据所述下载指令将所述图表呈现模块显示的基本 分析结果从所述云端数据库中以压缩文件的形式进行下载。

可选地，在本发明基于生物云平台的微生物多样性分析系统的 另一实施例中，所述压缩文件的格式为zip格式。

可选地，在本发明基于生物云平台的微生物多样性分析系统的 另一实施例中，所述用户界面模块为网页WEB图形化用户界面模 块。

下面以具体实施例对本发明进行说明：

用户对已有生物测序数据进行分析，需先进入如图2所示的基 本分析的数据导入和参数选择界面，界面包括项目基本信息输入框、 扩增子类型选择框、样品分组信息输入框、流程运行选框、项目帮 助选框，项目基本信息包括：原始数据、项目名称；扩增子类型包 括：分子标记类型、可变区。点击原始数据导入按钮后出现如图3 所示的选框，用户可以根据自己需求添加分组并输入样品名称，将 每个样品在不同分组类型下分组(分组后的界面如图4所示)；在“流 程运行”选框下点击“提交”，出现项目信息页面(如图5和图6所 示)，项目信息包括：项目名称、测序数据路径、扩增子类型，样品 分组信息、流程输出目录，确认无误后点击“确认”提交项目流程。 运行完成的项目点击后会呈现项目基本分析的标准化报告(如图7 所示)，标准化报告所包含的主要内容显示在报告的右上角(如图8 所示)，点击标题，报告会移动到并显示出相应的内容。

在已有基本分析的基础上可进行个性化分析，主要包括物种复 杂度分析(如图9所示)、组间差异分析(如图10所示)、物种差异 分析(如图11所示)。这三个部分各自包含不同的分析内容，可按 用户需选择分析内容，各分析内容独立运行互不干涉。物种复杂度 分析包括：OTUs分析、样品间OTUs组成比较、物种组成分析；组 间差异分析包括：样品和物种组成热图、PCA分析、聚类分析；物 种差异分析包括：差异分析。每块个性化分析都可选做该分析包含 的所有或部分分析内容，每部分分析独立运行，互不干扰。

进行物种复杂度分析可选做“OTUs分析”、“样品间OTUs组成 比较”、“物种组成分析”或其中某个分析。其中，(1)OTUs分析： 点击“样品选择”弹出样品信息选框(如图12所示)，点击选择所 需样品或分组，设置TOP值，即分析所得的表格文件要输出前多少 行(按照所选全部样品或分组各OTU总和排序)，若不输入“TOP”， 则默认输出前80行。点击“确定”按钮，一般等待1-3分钟即可在 该页面得到OTU分析结果，OTUs分析结果包括：OUTs分析表格、 OTU鉴定到不同水平百分比饼图、OUT聚类热图、OUT丰度曲线； (2)样品间OTUs组成比较:点击“样品选择”弹出样品信息选框 (如图12所示)，点击选择所需样品或分组，venn图目前最多支持 选择5个样品或分组，点击“提交”开始运行任务，结果包括：OUTs 分析表格、Venn图；(3)物种组成分析：点击“选择样品”弹出 样品信息选框(如图12所示)，点击选择所需样品或分组，点击“分 类单元”选择分类水平(门纲目科属种)，输入参数“Others”，即： 划分Others的界限值(若所有样品/组的此OTU含量均小于此界限 值，则将此OTU划分为Others)，点击“提交”，一般等待2-5分钟 即可在该页面得到筛选结果，分析结果包括：所选分类水平的物种 分类表格、物种分类柱状图、所选的各样品或分组的OTU组成饼图。

进行组间差异分析可选做“样品和物种组成热图、PCA分析、 聚类分析或其中某个分析，分析界面如图10所示。其中，(1)样品 和物种组成热图：在“样品和物种筛选”选框下选择样品或分组， 输入TOP值、分类单元、或者样品丰度等参数，在“种组成热图” 选框下选择配色方案，聚类方向(行距类：OTU丰度相似性，列聚 类：样品/组间组成相似性)，点击“提交”，一般等待3-5分钟即可 在该页面得到查询结果。生成结果包括：物种丰度表格、物种组成 热图。(2)PCA分析：做PCA分析只能选择分组，选择或不选“是 否显示样品名”，点击“提交”，即可得到结果。(3)聚类分析：样 品选择与组间差异分析(1)相同，选择“距离计算方式”和“聚类 算法”，点击“提交”，即可得到结果。

进行差异分析，首先点击“样品选择”弹出“样品信息”选框， 只包含分组列表(如图13所示)，只有分组可以做物种差异分析， 选种分组，输入Others、分类单元、统计方法等参数，点击“提交”。 结果包含了：丰度表格和物种平均丰度柱状图。

本发明所述的微生物多样性分析系统属于云平台微生物多样性 分析模式，是基于生物云平台的一种分析模块，旨在提供一种新的 分析方法，将已有的成熟可靠的微生物多样性分析方法整合，对测 序数据进行分析，并从中总结出一系列个性化分析思路，以高质量 可直接发表的图表将结果展示出来，利用这种方法打破传统单一的 基础实验分析手段，有效的提高了数据处理效率和从数据中得到的 信息量。

参看图14，本实施例公开一种基于生物云平台的微生物多样性 分析方法，包括：

S1、从云端数据库中获取用户指定的路径对应的测序数据；

S2、利用所述路径和预设的参数生成配置文件和任务执行命令；

S3、基于所述任务执行命令，利用所述配置文件对所述测序数 据进行基本分析，并在基本分析结束后，将基本分析的结果以报告 和/或图表的形式进行展示。

本发明实施例所述的基于生物云平台的微生物多样性分析方 法，用户可以自由选择测序数据，自定义所需参数，利用所述参数 和测序数据的路径生成配置文件和任务执行命令，基于所述任务执 行命令，利用所述配置文件对所述测序数据进行基本分析，并以报 告和/或图表的形式呈现，因而相较于采用手动方式进行分析的现有 技术，本发明采用自动的方式进行分析，能够提高微生物多样性分 析的效率。

可选地，在本发明基于生物云平台的微生物多样性分析方法的 另一实施例中，还包括：

对所述基本分析的结果进行个性化分析，并在个性化分析结束 后，将个性化分析的结果以报告和/或图表的形式进行展示。

本发明中，用户可以自由选择测序数据，自定义所需参数对测 序数据进行基本分析，以报告和图表的形式呈现。还能按照用户需 要，有针对性的对基本分析结果进行进一步数据挖掘，最终以图表 呈现。微生物多样性APP收录的微生物多样性分析方法极具代表性 和可重复性并且在传统测序公司提供的服务基础之上加入了个性化 分析，进行深度数据挖掘其分析思路是基于基本分析得到的结果进 行提炼，并且分析结果处理成可以直接发表的高质量图表，使得数 据分析方式不再局限于传统业务线流程的单一性，极大地丰富了对 数据的使用，提高了对测序数据的处理效率。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员 可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型， 这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。