Snakemake workflow engine

何时使用

当用户需要做以下任一项时使用本条目，即使没明说「Snakemake」：

• 构建可复现的多步生信流程（比对 → 排序 → 去重 → 变异调用 → 注释）。
• 用基于文件的依赖让多个样本走同一套规则批量处理（wildcard 驱动）。
• 让同一流程从本地开发无改代码扩展到 SLURM/LSF/云（靠 profile 切执行器）。
• 增量重算：只重跑输入变了的步骤；执行前出 DAG / dry-run 预览。
• 给每条 rule 配独立 conda / Singularity 环境做工具隔离。

不该用边界：需要 Groovy DSL + dataflow 通道或 nf-core 社区流程库时用 Nextflow（见互见 nextflow-pipeline-builder）；只是简单 shell 循环就写 bash，Snakemake 只对「3+ 步且有分支」的串联才值得；数据工程的动态任务图 / 时序调度用 Airflow/Prefect。

步骤

1. 环境就绪：command -v snakemake 先查是否已装；pixi 项目内用 pixi run snakemake 而非裸命令。需要 Python 3.11+，graphviz 用于画 DAG。
2. 写 Snakefile：每个分析步骤一条 rule，声明 input:/output:（带 {sample} 通配符）+ 执行方式（shell:/run:/script:）。
3. 必写 rule all：把所有最终产物用 expand() 收进 rule all 的 input:，否则只跑文件里第一条 rule。
4. dry-run 先行：snakemake -n 看清将跑哪些 rule、顺序对不对，确认 DAG 无误再真跑。
5. 本地执行：snakemake --cores 8；需要环境隔离加 --use-conda / --use-apptainer。
6. 上集群：写 profiles/slurm/config.yaml（executor: slurm），用 --profile profiles/slurm 提交，Snakefile 不动。
7. 配置外置：样本列表、线程数、阈值放 config.yaml，configfile: 加载，别硬编码。

指令

安装与验证：

conda install -c conda-forge -c bioconda snakemake   # 含可选依赖（推荐）
pip install snakemake                                 # 最小安装
snakemake --version                                   # 8.x.x

核心 CLI：

命令	用途
snakemake --cores 8 / --cores all	本地执行，限定/用满并发核数
snakemake -n	dry-run：只列任务不执行（每次真跑前必做）
snakemake --forceall	忽略已有产物，全量重跑
snakemake --rerun-incomplete	重跑产物不完整的 rule
snakemake --use-conda / --use-apptainer	启用每 rule 的 conda / Singularity 环境
snakemake --dag | dot -Tpdf > dag.pdf	导出 DAG 图
snakemake --profile profiles/slurm --cores 256	用 profile 提交到集群
snakemake --set-resources variant_calling:mem_mb=32000 --set-threads align=16	运行时覆盖资源/线程
snakemake --report report.html	完成后出交互报告

关键约定：{sample} 写在 rule 的 input/output 里是通配符，由 Snakemake 在执行时回填；expand("results/{sample}.bam", sample=SAMPLES) 是 Python，立即生成字符串列表（用在 rule all）。Snakemake 从目标反向推导 DAG——给定想要的产物，只跑生产它们所需的 rule。

特殊产物包装器：temp(...) 下游消费后自动删（省磁盘）；protected(...) 写保护最终产物；directory(...) 输出目录；touch(...) 仅排序用的空标记；ensure("...", min_size=N) 校验产物属性。

示例

最小两 rule 流程（Snakefile）：

SAMPLES = ["sampleA", "sampleB"]

rule all:                                    # 目标 rule：声明最终产物
    input:
        expand("results/{sample}.sorted.bam", sample=SAMPLES)

rule align:
    input:
        fastq="data/{sample}.fastq",
        ref="refs/genome.fa"
    output:
        bam="results/{sample}.sorted.bam"
    threads: 4
    shell:
        "bwa mem -t {threads} {input.ref} {input.fastq} "
        "| samtools sort -@ {threads} -o {output.bam}"

snakemake -n            # 先 dry-run
snakemake --cores 8     # 再执行

每 rule 配 conda 环境 + 声明资源（供 SLURM profile 调度）：

rule star_align:
    input:
        reads="data/{sample}.fastq",
        genome_dir="refs/star_index/"
    output:
        bam="star_out/{sample}/Aligned.sortedByCoord.out.bam"
    conda: "envs/star.yaml"     # channels: bioconda; deps: star=2.7.10b, samtools=1.17
    resources:
        mem_mb=16000, runtime=240    # MB / 最长墙钟分钟数
    threads: 8
    shell:
        "STAR --runThreadN {threads} --genomeDir {input.genome_dir} "
        "--readFilesIn {input.reads} --outSAMtype BAM SortedByCoordinate"

SLURM profile（profiles/slurm/config.yaml）+ 提交：

executor: slurm
jobs: 100
default-resources: {mem_mb: 4000, runtime: 60}
use-conda: true
latency-wait: 30
rerun-incomplete: true

snakemake --profile profiles/slurm --cores 256 -n   # dry-run
snakemake --profile profiles/slurm --cores 256      # 提交

从目录自动发现样本（避免硬编码列表）：

from pathlib import Path
SAMPLES = [p.stem.replace(".fastq", "") for p in Path("data/").glob("*.fastq")]

注意事项

• 必有 rule all：缺它只跑第一条 rule；它汇集所有最终产物，反向驱动整条 DAG。
• 大中间文件用 temp()：去重前 BAM、未排序 BAM、中间组装结果标 temp() 消费后自动删，省大量磁盘。
• 配置与代码分离：样本/线程/路径/阈值进 config.yaml，硬编码使流程脆弱不可复用。
• 每个 shell rule 加 log:：2> {log} 把工具 stderr/stdout 重定向到 per-rule 日志，否则集群作业失败几乎无法调试。
• 生产 rule 加 benchmark:（"benchmarks/{rule}/{sample}.txt"）实测运行时与内存，是调 SLURM 资源申请的依据。
• 重算语义：产物时间戳早于输入会触发重跑；意外重跑可 snakemake --touch 刷新时间戳或删除重跑。
• 常见报错：AmbiguousRuleException（多 rule 命中同产物）→ 加 wildcard_constraints: 或 ruleorder；MissingOutputException → 查工作目录/产物路径/磁盘；TargetFileException（rule all 要的文件无 rule 能产）→ 核对 expand() 参数与通配符名，用 -n 追踪；conda 环境构建失败 → channel 顺序把 conda-forge 放 bioconda 前并钉版本。
• 官方文档：https://snakemake.readthedocs.io/ · 工作流目录：https://snakemake.github.io/snakemake-workflow-catalog/ · 论文 Mölder et al. (2021) F1000Research 10:33。

互见

• related：nextflow-pipeline-builder —— 另一可复现流程引擎，需 Groovy DSL/nf-core 时改用它，可对照编排思路。
• related：genomic-file-toolkit —— BAM/VCF 等文件处理常作为 Snakemake rule 的执行体。
• combines_with：gene-set-enrichment-analysis —— 流程跑出的定量结果接下游富集分析。
• combines_with：single-cell-rnaseq-analysis —— 把单细胞多步分析编排为可复现流程。

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本条采编自 jaechang-hits/SciAgent-Skills（CC-BY-4.0）。