绘制韦恩图（Venn plot）和花瓣图（Flower plot）的几个常用R包及在线网站

此处结合微生物群落研究中的16S扩增子分析数据，给大家分享怎样在R中进行韦恩图（Venn plot）和花瓣图（Flower plot）绘制。

在R中，可用于绘制韦恩图的R包有很多可供选择，本文中选择了VennDiagram、venn、UpSetR共3个R包进行介绍。同时在本篇博文的最后，给出了3个可在线绘制韦恩图的网站，以提供更多的可选方法。

作图示例文件、R脚本等，已上传至百度盘（若失效请在下方留言）。

示例文件简要

文件“venn.txt”为韦恩图作图文件，其内容展示如下。

该文件中共两列信息，Control和Treat为两个样本，其下的内容为各样本中所含OTU种类名称（这里即丰度大于0的OTU的名称）。

文件“flower.txt”为韦恩图/花瓣图作图文件，其内容展示如下。

该文件中共20列信息，即20个样本，其下的内容为各样本中所含OTU种类名称（这里即丰度大于0的OTU的名称）。

文件“otu_table.txt”为OTU丰度表格，其内容展示如下。

每一列为一个样本，此处共计20个样本；每一行为一种OTU；交叉区域为每种OTU在各样本中的丰度。

文件“group1.txt”和“group2.txt”为样本分组信息，其内容展示如下。

第一列为各样本名称，共计20个样本；第二列为各样本的分组信息。这里提供了两种不同的分组信息文件，用于信息提取构建作图数据，详见下文。

基于OTU丰度表获得韦恩图（Venn plot）/花瓣图（Flower plot）作图输入文件

对于作图输入文件样式，上述已经做了简要说明。

在正文开始之前，首先提供一个自编的R脚本，方便基于OTU丰度表转化为韦恩图或花瓣图作图输入格式。

这里的R脚本也就是附件中的“make_venn_flower.r”，在linux命令行界面下的运行示例如下。该脚本可依据样本分组信息，将属于同一分组的样本合并，并且依据合并后的结果，将丰度数值大于0的元素名称（本示例中为OTU）提取出，得到输出文件（即后续用来作图的输入文件）。

#shell 命令行样式
Rscript make_venn_flower.r <otu_file> <group_file> <output_file>

#shell 命令行示例
Rscript make_venn_flower.r otu_table.txt group1.txt venn.txt
Rscript make_venn_flower.r otu_table.txt group2.txt flower.txt

使用示例命令，可将“otu_table.txt”分别转化为“venn.txt”和“flower.txt”，即上文中提及的用于绘制韦恩图和花瓣图的文件。

若不使用命令行，直接在R中运行的话，可编辑此脚本，将“args[1]”、“args[2]”、“args[3]”分别修改为OTU丰度表名称、样本分组文件名称、输出文件名称。之后直接在R中运行即可。

使用R绘制韦恩图（Venn plot）

（VennDiagram包，常规韦恩图，2<=样本数<=5）

首先展示一个使用R的VennDiagram包绘制常规韦恩图的方法，该包适用于2<=样本数<=5的情形。

首先读入韦恩图作图数据，并从中提取出每列（样本）所含所有OTU的名称。

#读入作图文件，预处理
venn_dat <- read.delim('venn.txt', header = T, sep = '\t', stringsAsFactors = F, check.names = F)
venn_list <- list(venn_dat[,1], venn_dat[,2])
names(venn_list) <- colnames(venn_dat)

本示例使用的数据共2列内容，将2列内容提取出赋值给新列表venn_list，同时将样本名称赋值到列表中。

导入VennDiagram包绘制韦恩图，以下示例命令中的参数设置较为简略，对于venn.diagram()的详细参数，可使用?venn.diagram()查看帮助。

library(VennDiagram)
 
#作图
venn.diagram(venn_list, filename = 'venn.png', imagetype = 'png', margin = 0.2, 
    fill = c('red', 'blue'), alpha = 0.50, col = 'black', cex = 1, fontfamily = 'serif', cat.col = c('black', 'black'), cat.cex = 1, cat.fontfamily = 'serif')

上述所得新列表venn_list即为可被venn.diagram()所识别的作图数据；fill设置圆圈填充颜色，alpha设置透明度，col设置边界颜色；cex为圈内数值字体大小，col为圈内数值字体颜色，fontfamily设置字体样式；cat.cex为样本标签字体大小，cat.col为样本标签字体颜色，cat.fontfamily设置字体样式。更详细的参数说明可查看帮助。

最终作图结果“venn.png”如下所示。Control样本特有OTU共计2458个，Treat样本特有OTU共计806个，两样本共有OTU共计3482个。

使用R绘制韦恩图（Venn plot）（venn包，常规韦恩图，2<=样本数<=7）

通常韦恩图所展示的样本数量不会超过5，因为当样本数量大于5时，绘图结果将难以观测。因此对于VennDiagram包来讲，它所支持的样本数量也是最多为5个。其实不止R的VennDiagram包，其它可绘制韦恩图的R包或除R外的其它绘图工具等，一般也不支持样本数大于5个的情形。

因此，在这里继续给大家分享一个叫“venn”的R包，它最多可支持7个样本的韦恩图。

首先读入韦恩图作图数据，并从中提取出每列（样本）所含所有OTU的名称。

#读入作图文件，预处理
venn_dat <- read.delim('flower.txt', header = T, sep = '\t', stringsAsFactors = F, check.names = F)[1:7]
venn_list <- list(venn_dat[,1], venn_dat[,2], venn_dat[,3], venn_dat[,4], venn_dat[,5], venn_dat[,6], venn_dat[,7])
names(venn_list) <- colnames(venn_dat)

与上述使用VennDiagram包绘制韦恩图的流程相似，首先我们需要将样本列的内容全部提取出，赋值给新列表venn_list，同时将样本名称赋值到列表中。本示例共使用了7个样本数据。

导入venn包绘制韦恩图。作为简要演示，以下示例命令中的参数均使用默认参数，对于venn()的详细参数，可使用?venn()查看帮助。

library(venn)
 
#作图
png('venn_7.png', width = 1500, height = 1500, res = 200, units = 'px')
venn(venn_list, zcolor = 'style')
dev.off()

最终作图结果“venn_7.png”如下所示，包含了7个样本。

使用R绘制韦恩图（Venn plot）（UpSetR包，特殊韦恩图，不受样本数量限制）

上述介绍了如何在R中绘制常规样式的韦恩图。我们不难发现，当样本数量增多时，韦恩图将难以表现多样本间的共有/特有元素。因此，这种样式的韦恩图适用于样本数量较少的情况（样本数通常小于5）。

那么，当样本量较多时，应该如何使用韦恩图表示呢？此处给大家介绍一种特殊的韦恩图，它使用UpSetR包实现，不受样本数量的限制，只要样本数大于2均可适用。下述示例使用UpSetR包绘制10个样本数的韦恩图。尽管样本量很多时可能仍难以表示样本间共有/特有元素，但比常规韦恩图要好很多。

此处我们使用OTU丰度表格作为输入文件，并将OTU丰度表转化为0-1数值。

#读入作图文件，预处理
otu <- read.delim('otu_table.txt', header = T, row.names = 1, sep = '\t', stringsAsFactors = F, check.names = F)[1:10]
otu[otu > 0] <- 1

导入UpSetR包绘制韦恩图。此处绘制10个样本的韦恩图，对于upset()的详细参数，可使用?upset()查看帮助。

#作图
png('venn_10.png', width = 1500, height = 1500, res = 200, units = 'px')
upset(otu, nsets = 10, order.by = "freq")
dev.off()

upset()参数中，nsets用于指定所统计样本的个数；此处作为简要演示，其余参数使用默认参数。更详细的参数说明可查看帮助。

最终作图结果“venn_10.png”如下所示，包含了10个样本。这类的韦恩图可能第一眼看去有些抽象，其实所含内容很简单。

左侧为各样本名称。右侧点阵区域，为样本间交叉数据集。例如，若两个样本间有相同的元素，则使用连线将两个样本相连；同样地，若多个样本间存在连线，那这部分即为这几个样本内的共有元素。右侧柱状图区，为样本间交叉数据集中元素的数量。

例如，图中展示了10个样本，10个样本间共有元素数量为974；c10样本特有元素259；c2和c10共有元素41；以此类推。

UpSetR包功能十分强大，且已经得到了广泛的应用。当我们对该包的语法用熟练了之后，可以尝试进行一些高级统计绘图，如下所示，不再多加说明了（本人也没深入研究过……）。

使用R绘制花瓣图（Flower plot）

在早期UpSetR等工具包未出现时，更多时候在大样本量的情况下，考虑使用花瓣图展示共有/特有元素数量分布。其优点是内容简洁易懂，缺点是只能给出所有样本的共有元素数量，无法给出某几个样本间的共有元素数量。

其实对于怎样在R中绘制花瓣图我也是纠结了好久的，因为找不到相关的R包。最后偶然看到了某大神的博客（https://www.cnblogs.com/xudongliang/p/7884667.html），提到可以考虑依次绘制椭圆并按一定角度旋转得到花瓣图，并分享了绘图的R代码。这里就搬运此大神的代码，同时添加了一些改动便于文件读入和输出以及颜色赋值等。

首先读入花瓣图作图数据，并计算得到各样本所包含OTU种类总数以及所有样本共有OTU的数量等。

#读入做图文件，预处理
flower_dat <- read.delim('flower.txt', header = T, sep = '\t', stringsAsFactors = F, check.names = F)
sample_id <- colnames(flower_dat)
otu_id <- unique(flower_dat[,1])
otu_id <- otu_id[otu_id != '']
core_otu_id <- otu_id
otu_num <- length(otu_id)
 
for (i in 2:ncol(flower_dat)) {
    otu_id <- unique(flower_dat[,i])
    otu_id <- otu_id[otu_id != '']
    core_otu_id <- intersect(core_otu_id, otu_id)
    otu_num <- c(otu_num, length(otu_id))
}
core_num <- length(core_otu_id)

向量sample_id为各样本名称；otu_num为各样本中所含OTU种类总数，各数值与sample_id中的各样本名称相对应；core_num为所有样本的共有OTU种类数。

然后构建一个绘制花瓣图的函数。该函数中的部分命令（绘制椭圆的功能，下文中的draw.ellipse()、draw.circle()等命令）需要plotrix包实现。

library(plotrix)
 
#定义备选颜色
ellipse_col <- c('#6181BD4E','#F348004E','#64A10E4E','#9300264E','#464E044E','#049a0b4E','#4E0C664E','#D000004E','#FF6C004E','#FF00FF4E','#c7475b4E','#00F5FF4E','#BDA5004E','#A5CFED4E','#f0301c4E','#2B8BC34E','#FDA1004E','#54adf54E','#CDD7E24E','#9295C14E')
 
#构建作图函数（参考自 https://www.cnblogs.com/xudongliang/p/7884667.html）
flower_plot <- function(sample, otu_num, core_otu, start, a, b, r, ellipse_col, circle_col) {
    par( bty = 'n', ann = F, xaxt = 'n', yaxt = 'n', mar = c(1,1,1,1))
    plot(c(0,10),c(0,10),type='n')
    n   <- length(sample)
    deg <- 360 / n
    res <- lapply(1:n, function(t){
        draw.ellipse(x = 5 + cos((start + deg * (t - 1)) * pi / 180), 
            y = 5 + sin((start + deg * (t - 1)) * pi / 180), 
            col = ellipse_col[t],
            border = ellipse_col[t],
            a = a, b = b, angle = deg * (t - 1))
        text(x = 5 + 2.5 * cos((start + deg * (t - 1)) * pi / 180),
            y = 5 + 2.5 * sin((start + deg * (t - 1)) * pi / 180),
            otu_num[t])
        
        if (deg * (t - 1) < 180 && deg * (t - 1) > 0 ) {
            text(x = 5 + 3.3 * cos((start + deg * (t - 1)) * pi / 180),
                y = 5 + 3.3 * sin((start + deg * (t - 1)) * pi / 180),
                sample[t],
                srt = deg * (t - 1) - start,
                adj = 1,
                cex = 1
                )
        } else {
            text(x = 5 + 3.3 * cos((start + deg * (t - 1)) * pi / 180),
                y = 5 + 3.3 * sin((start + deg * (t - 1)) * pi / 180),
                sample[t],
                srt = deg * (t - 1) + start,
                adj = 0,
                cex = 1
                )
        }            
    })
    draw.circle(x = 5, y = 5, r = r, col = circle_col, border = NA)
    text(x = 5, y = 5, paste('Core:', core_otu))
}

最后使用提取出的做图数据以及构建好的作图函数作图。

#作图
png('flower.png', width = 1500, height = 1500, res = 200, units = 'px')
flower_plot(sample = sample_id, otu_num = otu_num, core_otu = core_num, 
    start = 90, a = 0.5, b = 2, r = 1, ellipse_col = ellipse_col, circle_col = 'white')
dev.off()
#注：参数a和b用于设置花瓣椭圆的尺寸，ellipse_col用于设置花瓣椭圆的颜色；参数r用于设置中心圆圈尺寸，circle_col用于设置中心圆圈的颜色

本示例的最终结果“flower.png”如下。共包含20个样本，外圈数值为各样本内所含OTU种类总数，中心圆圈内为共有OTU数量。

附加内容：可在线绘制韦恩图的网站

在这里，给大家介绍3个常用的可在线绘制韦恩图的网站，使用起来也挺方便的。

当然还有更多的可在线绘制韦恩图的网站。由于现有的方法足以满足我们使用了，因此这里就不再一一列出了。

第一个，http://bioinfogp.cnb.csic.es/tools/venny/index.html

这个在线网站操作起来最为简单，将每个样本中出现的OTU粘贴至左侧，最多可以展示4个样本。右侧自动出图，在图的上方可以设置颜色显示、文字显示等选项。缺点是颜色是固定的。

第二个，http://www.biovenn.nl/index.php

相较于上一个在线网站，优势在于有多种颜色可以选择，并且按样本所含元素多少将每个样本以不同大小的圆圈展示出来。缺点是最多只能展示3个样本，无法给出不同样本中所共有（或特有）OTU的数目，且样本名称排列的位置无法调整（样本名称默认展示在每个样本圆圈的中心位置，但会造成与其它样本圈的重叠影响查看）。数据导入既可以直接粘贴，也可以以文件（一个文件中只能包含一个样本的全部OTU）的形式导入避免数据量大时粘贴麻烦。

第三个，http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/Venn/

第三个网站功能强大。其一，数据导入既可以直接粘贴，也可以以文件（一个文件中只能包含一个样本的全部OTU）的形式导入避免数据量大时粘贴麻烦；其二，可最多展示5个样本；其三，结果中不仅给出了不同样本中所共有（或特有）OTU的数目，还精确到出现在相同（或不同）样本中的OTU具体是哪些OTU。但是它无法做到上述第二个网站那样，根据不同样本内所含元素个数将各样本以不同大小圆圈表示；相较于第一个网站，无法同时给出样本共有或特有元素的数量和比例信息。