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IQ-TREE：最大似然法构建精确、快速、灵活、广泛的系统发育树

IQ-TREE自2011年就已经开发并开源，至今都有专业团队维护，其名字来源于IQPNNI和TREE-PUZZLE的前缀，IQ-TREE具有四大特征：

• 算法高效，通过最大似然法高速高效随机重建系统发育树，如RAxMl和PhyML相比类似计算时间具有较好的结果
• 超快的支持率，自检值（bootstrap)是RAxML的10-40倍，同时出现偏见支持率值更少
• 数据分析，支持成千上万条序列或比对位点的数据集分析
• 系统发育树测试，有SH-aLRT和aBayes测试进化枝，树拓扑结构近似无偏见测试（approximately unbiased）

此外，IQ-TREE提供大量的构建系统发育树模型供选择，包括四种：

• common models: 所有常见的DNA，蛋白质，密码子的替代模型，二元和形态数据之间的比率异质性和确定偏差校正，例如SNP数据。
• Partition models: 混合数据、不同基因位点、异质性等分开的模型选择
• Mixture models: 完全自定义模型和经验模型
• Polymorphism-aware models: 考虑物种不完整的谱系分类以推测物种树

简单测试

说明，现在软件已经更新到version2版本，我们默认使用iqtree调用（新版本为iqtree2），此外本文所述均是基于命令行操作，解释不同选项及对应参数作用，网页版使用过于简单，可点击跳转。
输入文件格式：phylip、fasta、nexus、clustalw

# 参数s为指定输入比对好的文件格式，为必备的，1.5.4版本默认 -m MFP自动寻找最适模型
iqtree -s example.phy 

结果文件包括三个：
example.phy.iqtree:主要计算结果的报告文件，也包含最终构建系统发育树树的文本展示
example.phy.treefile:NEWICK格式的ML tree，该文件可用Figtree和iTOL查看
example.phy.log:整个运行过程的日志文件，记录报错等信息
注意：在运行的过程中，程序会定期将执行进程（结果）写入一个gzip压缩的example.phy.ckp.gz文件，该文件可以在出现程序运行终止或遇到较大文件而内存不足时，再次使用相同的命令运行IQ-TREE，程序将会从上次停止的地方继续运行。当然对运行完成的结果，再次运行会显示当前任务已经成功运行。
-redo选项表示覆盖运行之前的结果，如

iqtree -s example.phy -redo

-pre选项，自定义输出结果文件前缀，默认情况下所有输出文件的前缀与输入文件的名字一致，如指定myprefix为前缀：

iqtree -s example.phy -pre myprefix

如何选择最适合模型

IQ-TREE支持针对DNA、protein、codon等大量的模型可供选择，但是通常情况下，我们不知道哪个模型最适合我们的数据，而调用软件内置ModelFinder确定最合适的模型。

#for IQ-TREE version >= 1.5.4:
iqtree -s example.phy -m MFP # -m 指定模型选项，MFP表示ModelFinder Plus(自动默认)
#for IQ-TREE version <= 1.5.3:
iqtree -s example.phy -m TESTNEW

MFP为ModelFinder Plus的缩写，该参数使程序执行ModelFinder选择最适模型并完成建树分析。ModelFinder为许多不同的模型计算初始简约树的逻辑概率，并产生Akaike
information criterion (AIC),* corrected Akaike information criterion* (AICc), and* the Bayesian information criterion* (BIC)三个结果标准值，通常ModelFinder选择BIC分数最低的模型（当然也可以指定AIC和AICc通过指定选项-AIC或者-AICc)。
此时会增加一个额外输出结果文件：
example.phy.model:所有测试模型的对数概率值，它充当检查点文件，用于恢复中断的模型选择。
有时，我们仅仅只想知道数据分析的最适合模型并不想建树，那么可以分别指定MF或TESTNEWONLY参数
值得注意一下，我们这里选择ModelFinder而不调用jModelTest/ProTest，其优点如下：(如果仍然想用jModelFinder/ProTest，添加-m TEST或者-m TESTONLY)

image

如果序列比对文件特别长（考虑添加-cmax 15，默认为10）

用超快的bootstrap近似评估分支支持值

为了克服非参数bootstrap所需的计算负担，IQTREE引入了ultrafast bootstrap approximation (UFBoot)提供相对公正的分支支持数值，选项为- bb通常为百分比数值。

iqtree -s example.phy -m TIM2+I+G -bb 1000

与前面相比，又额外增加三个输出结果文件：
example.phy.contree:树支持值一致的树（consensus tree）的且分支长度在原始比对上优化过
example.phy.splits.nex:所有分割(双分区)的支持值的百分比，作为引导树中出现的频率计算，该文件可以通过程序SplitsTree查看数据中的矛盾信号，因此因此，该文件一致树更能提供信息
example.phy.splits (使用-wsplits选项):此文件包含与example.phy.split相同的信息，格式为star-dot。
有时，-bnni减少由于严重的模型违规而高估了UFBoot对分支的支持风险。

评估分枝支持率使用标准的分参数bootstrap

iqtree -s example.phy -m TIM2+I+G -b 100

-b指定bootstrap的重复次数，其中100为推荐的推荐的最小数。输出结果文件与UFBoot过程生成的文件相似。

使用单个分枝测试评估分枝支持值

IQ-TREE提供一个SH类近似似然比测试，-alrt指定SH-aLRT的bootstrap的重复个数，1000为最下的。

iqtree -s example.phy -m TIM2+I+G -alrt 1000
iqtree -s example.phy -m TIM2+I+G -alrt 1000 -bb 1000

CPUs核心线程的利用

IQ-TREE可以利用多个CPU核来加速分析。选项-nt允许指定要使用的CPU内核数量

iqtree -s example.phy -m TIM2+I+G -nt 2
iqtree -s example.phy -m TIM2+I+G -nt AUTO #通常使用这个
iqtree -s example.phy -m TIM2+I+G -nt AUTO -ntmax 8 #cpu的上限为8核心线程

后记，以上主要介绍了iqtree软件关于输入文件、输出文件的介绍及解读，同时详细介绍了不同选项及参数的功能。

关于特异性指定替换模型

-m是指定替代模型、状态频率和速率异质性类型的实用选项。一般的语法是：

-m MODEL+FreqType+RateType

MODEL：model name
+FreqType：(可选项)frequency type
+RateType：(可选项)rate heterogeneity type

参见下图：

MODEL：

image

FreqType：

image

RateType：

image

IQ-TREE官网链接：http://iqtree.cibiv.univie.ac.at/