Tracking the forma0on of a species assemblage over 0me: - - PowerPoint PPT Presentation
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Tracking the forma0on of a species assemblage over 0me: phylogene0c reconstruc0on of pa9erns of colonisa0on and specia0on Xia Hua, Rob Lanfear, Marcel
Are ¡species ¡added ¡into ¡an ¡assemblage ¡at ¡ an ¡even ¡rate ¡over ¡0me? ¡ ¡ ¡
Are ¡species ¡added ¡into ¡an ¡assemblage ¡at ¡ an ¡even ¡rate ¡over ¡0me? ¡ ¡ ¡
A ¡known ¡set ¡of ¡extant ¡taxa ¡ that ¡co-‑exist ¡in ¡a ¡given ¡area ¡ ¡
Are ¡species ¡added ¡into ¡an ¡assemblage ¡at ¡ an ¡even ¡rate ¡over ¡0me? ¡ ¡ ¡
A ¡known ¡set ¡of ¡extant ¡taxa ¡ that ¡co-‑exist ¡in ¡a ¡given ¡area ¡ ¡
Colonisa0on ¡ In-‑situ ¡specia0on ¡
Are ¡species ¡added ¡into ¡an ¡assemblage ¡at ¡ an ¡even ¡rate ¡over ¡0me? ¡ ¡ ¡
Uneven ¡coloniza0on ¡rate ¡ due ¡to ¡geographical ¡events ¡
Ali ¡& ¡Huber ¡2010 ¡Nature ¡
¡ Slow-‑down ¡in ¡specia0on ¡ rate ¡due ¡to ¡satura0on ¡
Rabosky ¡& ¡LoveMe ¡2008 ¡Proc.R.Soc.B ¡
Approaches ¡to ¡reconstruct ¡pa9erns ¡of ¡ specia0on ¡and ¡colonisa0on ¡
Approaches ¡to ¡reconstruct ¡pa9erns ¡of ¡ specia0on ¡and ¡colonisa0on ¡
Use ¡paleontological ¡data ¡
Need ¡con<nuous ¡fossil ¡record ¡and ¡adequate ¡ taxonomic ¡and ¡temporal ¡resolu<on ¡
Approaches ¡to ¡reconstruct ¡pa9erns ¡of ¡ specia0on ¡and ¡colonisa0on ¡
Use ¡paleontological ¡data ¡
Need ¡con<nuous ¡fossil ¡record ¡and ¡adequate ¡ taxonomic ¡and ¡temporal ¡resolu<on ¡
¡
Compare ¡assemblages ¡of ¡known ¡ages ¡
E.g., ¡derive ¡assemblage ¡ages ¡from ¡the ¡forma<on ¡ dates ¡of ¡different ¡islands ¡
¡
Approaches ¡to ¡reconstruct ¡pa9erns ¡of ¡ specia0on ¡and ¡colonisa0on ¡
Use ¡paleontological ¡data ¡
Need ¡con<nuous ¡fossil ¡record ¡and ¡adequate ¡ taxonomic ¡and ¡temporal ¡resolu<on ¡
¡
Compare ¡assemblages ¡of ¡known ¡ages ¡
E.g., ¡derive ¡assemblage ¡ages ¡from ¡the ¡forma<on ¡ dates ¡of ¡different ¡islands ¡
¡
Use ¡molecular ¡phylogenies ¡
Sources ¡of ¡error ¡in ¡using ¡molecular ¡ phylogenies ¡to ¡infer ¡assemblage ¡history ¡
Sources ¡of ¡error ¡in ¡using ¡molecular ¡ phylogenies ¡to ¡infer ¡assemblage ¡history ¡
Uncertainty ¡in ¡topology ¡and ¡divergence ¡0mes ¡
A ¡“best” ¡tree ¡is ¡typically ¡used ¡in ¡macroecology ¡study ¡
¡ ¡ ¡
Sources ¡of ¡error ¡in ¡using ¡molecular ¡ phylogenies ¡to ¡infer ¡assemblage ¡history ¡
Uncertainty ¡in ¡topology ¡and ¡divergence ¡0mes ¡
A ¡“best” ¡tree ¡is ¡typically ¡used ¡in ¡macroecology ¡study ¡
¡ ¡ ¡
Uncertainty ¡in ¡reconstruct ¡ancestral ¡geographic ¡ states, ¡par0cularly ¡taxon ¡sampling ¡bias ¡
More ¡recent ¡events ¡are ¡more ¡likely ¡to ¡be ¡detected ¡
¡ ¡ ¡
Sources ¡of ¡error ¡in ¡using ¡molecular ¡ phylogenies ¡to ¡infer ¡assemblage ¡history ¡
Uncertainty ¡in ¡topology ¡and ¡divergence ¡0mes ¡
A ¡“best” ¡tree ¡is ¡typically ¡used ¡in ¡macroecology ¡study ¡
¡ ¡ ¡
Uncertainty ¡in ¡reconstruct ¡ancestral ¡geographic ¡ states, ¡par0cularly ¡taxon ¡sampling ¡bias ¡
More ¡recent ¡events ¡are ¡more ¡likely ¡to ¡be ¡detected ¡
¡ ¡ ¡
Uncertainty ¡in ¡localize ¡specia0on ¡and ¡coloniza0on ¡ events ¡on ¡a ¡branch ¡
Sources ¡of ¡error ¡in ¡using ¡molecular ¡ phylogenies ¡to ¡infer ¡assemblage ¡history ¡
Uncertainty ¡in ¡localize ¡specia0on ¡and ¡coloniza0on ¡ events ¡on ¡a ¡node ¡
Incomplete ¡lineage ¡ sor<ng ¡
Sources ¡of ¡error ¡in ¡using ¡molecular ¡ phylogenies ¡to ¡infer ¡assemblage ¡history ¡
Uncertainty ¡in ¡localize ¡specia0on ¡and ¡coloniza0on ¡ events ¡on ¡a ¡node ¡
Where ¡did ¡ coloniza<on ¡occur? ¡
¡
- utside ¡
- utside ¡
inside ¡ inside ¡ inside ¡
Framework ¡of ¡tes0ng ¡assemblage ¡ forma0on ¡using ¡phylogenies ¡ ¡
How ¡likely ¡it ¡is ¡to ¡observe ¡the ¡extant ¡species ¡ assemblage ¡if ¡it ¡was ¡formed ¡in ¡the ¡way ¡as ¡the ¡null ¡ hypothesis ¡predicts ¡? ¡ ¡
Framework ¡of ¡tes0ng ¡assemblage ¡ forma0on ¡using ¡phylogenies ¡ ¡
How ¡likely ¡it ¡is ¡to ¡observe ¡the ¡extant ¡species ¡ assemblage ¡if ¡it ¡was ¡formed ¡in ¡the ¡way ¡as ¡the ¡null ¡ hypothesis ¡predicts ¡? ¡ ¡
Topology ¡and ¡0me ¡uncertainty ¡
Framework ¡of ¡tes0ng ¡assemblage ¡ forma0on ¡using ¡phylogenies ¡ ¡
How ¡likely ¡it ¡is ¡to ¡observe ¡the ¡extant ¡species ¡ assemblage ¡if ¡it ¡was ¡formed ¡in ¡the ¡way ¡as ¡the ¡null ¡ hypothesis ¡predicts ¡? ¡ ¡
Topology ¡and ¡0me ¡uncertainty ¡ Reconstruc0on ¡uncertainty ¡
Framework ¡of ¡tes0ng ¡assemblage ¡ forma0on ¡using ¡phylogenies ¡ ¡
How ¡likely ¡it ¡is ¡to ¡observe ¡the ¡extant ¡species ¡ assemblage ¡if ¡it ¡was ¡formed ¡in ¡the ¡way ¡as ¡the ¡null ¡ hypothesis ¡predicts ¡? ¡ ¡
Topology ¡and ¡0me ¡uncertainty ¡ Reconstruc0on ¡uncertainty ¡ Uncertainty ¡in ¡localizing ¡ coloniza0on ¡and ¡specia0on ¡ ¡
Framework ¡of ¡tes0ng ¡even ¡species ¡ addi0on ¡rate ¡using ¡phylogenies ¡ ¡
Framework ¡of ¡tes0ng ¡even ¡species ¡ addi0on ¡rate ¡using ¡phylogenies ¡ ¡
Joint ¡es0ma0on ¡of ¡topology ¡ and ¡divergence ¡0me ¡
Framework ¡of ¡tes0ng ¡even ¡species ¡ addi0on ¡rate ¡using ¡phylogenies ¡ ¡
Joint ¡es0ma0on ¡of ¡topology ¡ and ¡divergence ¡0me ¡ Con0nuous-‑0me ¡Markov ¡model ¡
Framework ¡of ¡tes0ng ¡even ¡species ¡ addi0on ¡rate ¡using ¡phylogenies ¡ ¡
Birth-‑death ¡model ¡ Joint ¡es0ma0on ¡of ¡topology ¡ and ¡divergence ¡0me ¡ Con0nuous-‑0me ¡Markov ¡model ¡
Framework ¡of ¡tes0ng ¡even ¡species ¡ addi0on ¡rate ¡using ¡phylogenies ¡ ¡
Birth-‑death ¡model ¡
- utside ¡
- utside ¡
inside ¡ inside ¡ inside ¡
n ¡ T ¡ t1 ¡ t2 ¡
Framework ¡of ¡tes0ng ¡even ¡species ¡ addi0on ¡rate ¡using ¡phylogenies ¡ ¡
Birth-‑death ¡model ¡
- utside ¡
- utside ¡
inside ¡ inside ¡ inside ¡
n ¡ T ¡ t1 ¡ t2 ¡
Coloniza0on ¡
- ccurred ¡at ¡t ¡
Framework ¡of ¡tes0ng ¡even ¡species ¡ addi0on ¡rate ¡using ¡phylogenies ¡ ¡
Birth-‑death ¡model ¡
- utside ¡
- utside ¡
inside ¡ inside ¡ inside ¡
n ¡ T ¡ t1 ¡ t2 ¡
Coloniza0on ¡
- ccurred ¡at ¡t ¡
f (t |n) = λ
n−1(λ −µ −q10) 2 (1−e −(λ−µ−q10 )t) n−1e −(λ−µ−q10 )t
(λ −µe
−(λ−µ−q10 )t) n+1
f (t) p(t |n)f (t)dt
T
∫
Framework ¡of ¡tes0ng ¡even ¡species ¡ addi0on ¡rate ¡using ¡phylogenies ¡ ¡
Birth-‑death ¡model ¡
- utside ¡
- utside ¡
inside ¡ inside ¡ inside ¡
n ¡ T ¡ t1 ¡ t2 ¡
Coloniza0on ¡
- ccurred ¡at ¡t ¡
f (t |n) = λ
n−1(λ −µ −q10) 2 (1−e −(λ−µ−q10 )t) n−1e −(λ−µ−q10 )t
(λ −µe
−(λ−µ−q10 )t) n+1
f (t) p(t |n)f (t)dt
T
∫
f (t) =[(q10 + q01e(q10+q01)(t−T ))q01]N0(t)
Framework ¡of ¡tes0ng ¡even ¡species ¡ addi0on ¡rate ¡using ¡phylogenies ¡ ¡
Birth-‑death ¡model ¡
- utside ¡
- utside ¡
inside ¡ inside ¡ inside ¡
n ¡ T ¡ t1 ¡ t2 ¡
Coloniza0on ¡
- ccurred ¡at ¡t ¡
f (t |n) = λ
n−1(λ −µ −q10) 2 (1−e −(λ−µ−q10 )t) n−1e −(λ−µ−q10 )t
(λ −µe
−(λ−µ−q10 )t) n+1
f (t) p(t |n)f (t)dt
T
∫
f (t) =[(q10 + q01e(q10+q01)(t−T ))q01]N0(t)
N0(t) ¡is ¡constant ¡in ¡macroecology ¡study ¡ ¡ N0(t) ¡follows ¡determinis<c ¡two ¡state ¡birth-‑ death ¡model ¡in ¡macroevolu<on ¡study ¡ ¡
Framework ¡of ¡tes0ng ¡even ¡species ¡ addi0on ¡rate ¡using ¡phylogenies ¡ ¡
Birth-‑death ¡model ¡
- utside ¡
- utside ¡
inside ¡ inside ¡ inside ¡
n ¡ T ¡ t1 ¡ t2 ¡
Coloniza<on ¡
- ccurred ¡at ¡t ¡
Specia0on ¡at ¡s ¡given ¡ a ¡coloniza0on ¡at ¡t ¡
Framework ¡of ¡tes0ng ¡even ¡species ¡ addi0on ¡rate ¡using ¡phylogenies ¡ ¡
Birth-‑death ¡model ¡
- utside ¡
- utside ¡
inside ¡ inside ¡ inside ¡
n ¡ T ¡ t1 ¡ t2 ¡
Coloniza<on ¡
- ccurred ¡at ¡t ¡
Specia0on ¡at ¡s ¡given ¡ a ¡coloniza0on ¡at ¡t ¡
f (s |t) = (λ −µ −q10)
2e −(λ−µ−q10 )s
[λ −(µ +q10)e
−(λ−µ−q10 )s] 2
λ −(µ +q10)e
−(λ−µ−q10 )t
1−e
−(λ−µ−q10 )t
Framework ¡of ¡tes0ng ¡even ¡species ¡ addi0on ¡rate ¡using ¡phylogenies ¡ ¡
Birth-‑death ¡model ¡
- utside ¡
- utside ¡
inside ¡ inside ¡ inside ¡
n ¡ T ¡ t1 ¡ t2 ¡
Coloniza<on ¡
- ccurred ¡at ¡t ¡
Specia0on ¡at ¡s ¡given ¡ a ¡coloniza0on ¡at ¡t ¡
f (s |t) = (λ −µ −q10)
2e −(λ−µ−q10 )s
[λ −(µ +q10)e
−(λ−µ−q10 )s] 2
λ −(µ +q10)e
−(λ−µ−q10 )t
1−e
−(λ−µ−q10 )t
f (s |t) =[ 1−e
−(λ−µ−q10 )s
λ −(µ +q10)e
−(λ−µ−q10 )s
λ −(µ +q10)e
−(λ−µ−q10 )t
1−e
−(λ−µ−q10 )t
]
n−1
Or, ¡for ¡genus-‑level ¡phylogeny ¡
Framework ¡of ¡tes0ng ¡even ¡species ¡ addi0on ¡rate ¡using ¡phylogenies ¡ ¡
Birth-‑death ¡model ¡
- utside ¡
- utside ¡
inside ¡ inside ¡ inside ¡
n ¡ T ¡ t1 ¡ t2 ¡
Coloniza<on ¡
- ccurred ¡at ¡t ¡
Specia0on ¡at ¡s ¡given ¡ a ¡coloniza0on ¡at ¡t ¡
f (s |t) = (λ −µ −q10)
2e −(λ−µ−q10 )s
[λ −(µ +q10)e
−(λ−µ−q10 )s] 2
λ −(µ +q10)e
−(λ−µ−q10 )t
1−e
−(λ−µ−q10 )t
f (s |t) =[ 1−e
−(λ−µ−q10 )s
λ −(µ +q10)e
−(λ−µ−q10 )s
λ −(µ +q10)e
−(λ−µ−q10 )t
1−e
−(λ−µ−q10 )t
]
n−1
Or, ¡for ¡genus-‑level ¡phylogeny ¡ Prior ¡f(s) ¡follows ¡coalescent ¡theory ¡if ¡using ¡ species ¡tree ¡approach ¡
Taxon ¡sampling ¡bias ¡is ¡inevitable: ¡
Compare ¡simulated ¡and ¡observed ¡phylogenies ¡
Taxon ¡sampling ¡bias ¡is ¡inevitable: ¡
Compare ¡simulated ¡and ¡observed ¡phylogenies ¡
Step ¡1: ¡ ¡MCMC ¡searches ¡for ¡likely ¡sets ¡of ¡parameter ¡values ¡
¡
Taxon ¡sampling ¡bias ¡is ¡inevitable: ¡
Compare ¡simulated ¡and ¡observed ¡phylogenies ¡
Step ¡1: ¡ ¡MCMC ¡searches ¡for ¡likely ¡sets ¡of ¡parameter ¡values ¡
¡
Step ¡2: ¡ ¡Simulate ¡phylogenies ¡using ¡those ¡parameter ¡sets ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Constrain ¡the ¡extant ¡number ¡of ¡lineages ¡and ¡total ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡divergence ¡<me ¡
¡
Taxon ¡sampling ¡bias ¡is ¡inevitable: ¡
Compare ¡simulated ¡and ¡observed ¡phylogenies ¡
Step ¡1: ¡ ¡MCMC ¡searches ¡for ¡likely ¡sets ¡of ¡parameter ¡values ¡
¡
Step ¡2: ¡ ¡Simulate ¡phylogenies ¡using ¡those ¡parameter ¡sets ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Constrain ¡the ¡extant ¡number ¡of ¡lineages ¡and ¡total ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡divergence ¡<me ¡
¡
Step ¡3: ¡ ¡ML ¡(observed) ¡<< ¡ML(simulated) ¡? ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡small ¡type ¡I ¡error, ¡large ¡type ¡II ¡error ¡
¡
Taxon ¡sampling ¡bias ¡is ¡inevitable: ¡
Compare ¡simulated ¡and ¡observed ¡phylogenies ¡
Step ¡1: ¡ ¡MCMC ¡searches ¡for ¡likely ¡sets ¡of ¡parameter ¡values ¡
¡
Step ¡2: ¡ ¡Simulate ¡phylogenies ¡using ¡those ¡parameter ¡sets ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Constrain ¡the ¡extant ¡number ¡of ¡lineages ¡and ¡total ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡divergence ¡<me ¡
¡
Step ¡3: ¡ ¡ML ¡(observed) ¡<< ¡ML(simulated) ¡? ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡small ¡type ¡I ¡error, ¡large ¡type ¡II ¡error ¡
¡
Step ¡4: ¡ ¡Construct ¡CI ¡of ¡simulated ¡and ¡observed ¡histories: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Coloniza<on ¡frequency ¡over ¡<me ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Number ¡of ¡extant ¡lineages ¡per ¡coloniza<on ¡
Madagascar ¡squamates ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡New ¡Zealand ¡passerines ¡
Cro^ni ¡et ¡al. ¡ ¡2012 ¡PNAS ¡
Madagascar ¡squamates ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡New ¡Zealand ¡passerines ¡
Cro^ni ¡et ¡al. ¡ ¡2012 ¡PNAS ¡
Include ¡all ¡the ¡taxa ¡ in ¡the ¡assemblage ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Include ¡the ¡closest ¡ rela0ves ¡of ¡each ¡ taxon ¡outside ¡the ¡ assemblage ¡ Genus-‑level ¡ Species-‑level ¡
More ¡coloriza0ons ¡during ¡Cenozoic ¡Era ¡in ¡ Madagascar ¡squamates ¡
P ¡(Lsim ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Lobs)=0.49 ¡
≤
Constant ¡coloniza0on ¡but ¡inconstant ¡ specia0on ¡in ¡New ¡Zealand ¡passerines ¡
P ¡(Lsim ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Lobs)=0.04 ¡
≤
Excess ¡of ¡single ¡ colonizing ¡lineage ¡
Type ¡I ¡error ¡es0mated ¡by ¡simula0ons ¡
Apply ¡the ¡method ¡to ¡100 ¡simulated ¡phylogenies, ¡each ¡with ¡100 ¡ slice ¡sampling ¡to ¡search ¡for ¡likely ¡parameter ¡sets ¡
Type ¡I ¡error ¡es0mated ¡by ¡simula0ons ¡
Apply ¡the ¡method ¡to ¡100 ¡simulated ¡phylogenies, ¡each ¡with ¡100 ¡ slice ¡sampling ¡to ¡search ¡for ¡likely ¡parameter ¡sets ¡
Likelihoods: ¡0 ¡ Comparisons ¡of ¡reconstructed ¡histories: ¡0.1 ¡
Type ¡I ¡error ¡es0mated ¡by ¡simula0ons ¡
Apply ¡the ¡method ¡to ¡100 ¡simulated ¡phylogenies, ¡each ¡with ¡100 ¡ slice ¡sampling ¡to ¡search ¡for ¡likely ¡parameter ¡sets ¡
Likelihoods: ¡0 ¡ Comparisons ¡of ¡reconstructed ¡histories: ¡0.1 ¡
Type ¡I ¡error ¡es0mated ¡by ¡simula0ons ¡
Apply ¡the ¡method ¡to ¡100 ¡simulated ¡phylogenies, ¡each ¡with ¡100 ¡ slice ¡sampling ¡to ¡search ¡for ¡likely ¡parameter ¡sets ¡
Likelihoods: ¡0 ¡ Comparisons ¡of ¡reconstructed ¡histories: ¡0.1 ¡
Sample ¡size? ¡ ¡ MCMC ¡sampling ¡? ¡ ¡ Type ¡II ¡error? ¡ ¡
Further ¡explore ¡taxon ¡sampling ¡bias ¡
The ¡method ¡does ¡not ¡reconstruct ¡unbiased ¡assemblage ¡
- histories. ¡ ¡Thus, ¡it ¡should ¡not ¡be ¡used ¡to ¡test ¡effects ¡of ¡
a ¡specific ¡historical ¡or ¡geological ¡events. ¡
Further ¡explore ¡taxon ¡sampling ¡bias ¡
The ¡method ¡does ¡not ¡reconstruct ¡unbiased ¡assemblage ¡
- histories. ¡ ¡Thus, ¡it ¡should ¡not ¡be ¡used ¡to ¡test ¡effects ¡of ¡
a ¡specific ¡historical ¡or ¡geological ¡events. ¡
A ¡hidden ¡Markov ¡model ¡may ¡reconstruct ¡a ¡less ¡biased ¡ assemblage ¡history. ¡ ¡Require ¡numerical ¡integra<ons ¡and ¡ <me-‑consuming. ¡
Further ¡explore ¡taxon ¡sampling ¡bias ¡
The ¡method ¡does ¡not ¡reconstruct ¡unbiased ¡assemblage ¡
- histories. ¡ ¡Thus, ¡it ¡should ¡not ¡be ¡used ¡to ¡test ¡effects ¡of ¡