Originea si diversificarea cicadelor vii: o poveste de precautie asupra impactului procesului de ramificare anterior in datarea moleculara bayesiana

fundal

Datarea bayesiana cu ceas relaxat a influentat in mod semnificativ intelegerea noastra a cronologiei evolutiei biotice. Aceasta abordare necesita utilizarea priosenilor in procesul de ramificare, dar se stie putin despre impactul acestora asupra estimarilor timpului de divergenta. Am investigat efectul ramificarii superioare folosind cicladele iconice. Am efectuat estimari filogenetice pentru 237 de specii de cycad, folosind trei gene si doua strategii de calibrare care incorporeaza pana la sase constrangeri fosile pentru (i) sa testeze impactul a doua niveluri diferite ale procesului de ramificare asupra estimarilor de varsta, (ii) sa evalueze ce ramificare se potriveste mai bine datelor, (iii) investigarea efectelor anterioare de ramificare asupra analizelor de diversificare si (iv) ofera informatii despre istoricul diversificarii cycadelor.

Rezultate

Folosind factorii Bayes, am comparat estimarile timpului de divergenta si dinamica inferioara a diversificarii atunci cand folosim Yule versus varsta-moarte. Factorii Bayes au fost calculati cu probabilitatea marginala estimata prin prelevarea de probe. Am constatat diferente izbitoare in estimarile de varsta si in dinamica diversificarii, in functie de alegerea anterioara. Intalnirea cu Yule a sugerat anterior ca genurile de cycad existente au diversificat in paleogen si cu doua schimbari ale ratei de diversificare. In schimb, datarea cu nasterea-moartea anterior a generat diversificari Neogene si patru schimbari de viteza, una pentru fiecare dintre cele patru cele mai bogate genuri. Cu toate acestea, intalnirea cu cei doi prighi a furnizat estimari similare de varsta pentru divergenta cicloadelor de la Ginkgo(Carbonifere) si varsta coroanei lor (Permian). Dintre acestia, factorii Bayes au sustinut clar nasterea-moartea anterioara.

concluzii

Aceste rezultate sugereaza ca alegerea procesului de ramificare anterior poate avea o influenta drastica asupra intelegerii radiatiilor evolutive. Prin urmare, toate analizele de datare trebuie sa implice un proces de selectie a modelului, utilizand factorii Bayes pentru a selecta intre o Yule sau moartea anterioara a nasterii, in special pe clade antice cu un model potential de extinctie ridicat. De asemenea, oferim informatii noi asupra istoriei diversificarii cycadelor, deoarece am gasit (i) perioade de extinctie de-a lungul ramurilor lungi ale genurilor in concordanta cu datele fosile si (ii) rate mari de diversificare in cadrul radiatiilor genului Miocene.

Intelegerea noastra despre evolutia biotica se bazeaza foarte mult pe reconstructii filogenetice si de datare care ofera o perspectiva asupra perioadelor de diversificare majora [1]. In ultimul deceniu, aparitia abordarilor de datare moleculara a favorizat o explozie de studii care au construit arbori calibrati in timp pentru diverse clade de plante precum briofite [2], ferigi [3,4], gimnosperme [5-8] si angiosperme [9- 11]. Acesti arbori datati au permis studiul evolutiei caracterului prin reconstructia trasaturilor ancestrale [11], inferenta istoriei biogeografice [7], precum si estimari ale ratelor de diversificare [2,8,10]. Arborii datati sunt astfel pivoti pentru intelegerea noastra despre evolutia plantelor si a grupurilor care interactioneaza cu ele, cum ar fi ierbivorele si polenizatorii [12].

In ciuda importantei estimarilor fiabile ale timpilor de divergenta, intelegerea noastra asupra modelelor temporale de diversificare ramane in flux pentru multe grupuri, in parte deoarece metodele de estimare a perioadelor de evolutie din secventele ADN sunt perfectionate [1,13,14]. De la introducerea metodelor cu ceas relaxat, care permit ca ratele de substitutie sa varieze de-a lungul arborelui, a fost dezvoltata o serie de metode de datare moleculara. Inferenta bayesiana a primit cea mai mare atentie datorita flexibilitatii cu care se pot incorpora diferiti parametri si presupuneri anterioare si faptul ca priorii sunt actualizati ca parte a analizei [15,16]. Utilizarea distributiilor anterioare explicite este esentiala pentru perspectiva bayesiana; cu toate acestea, rolul critic al selectiei anterioare in analiza bayesiana nu este intotdeauna pe deplin apreciat [17].

In abordarile Bayesiene cu ceas relaxat (BRC), exista diferite tipuri de priors, inclusiv prioruri pe punctele de calibrare, lungimi de ramura, modele de ceas si procese de ramificare. Priorii de la punctele de calibrare au fost bine studiati [18] si, nu este surprinzator, alegerea acestor prioni poate afecta estimarile varstei nodului [19]. Au fost studiate efectele priovenilor de lungime a ramurilor asupra probabilitatilor posterioare; persoanele care presupun ramuri interne lungi cauzeaza probabilitati posterioare mari [20]. In comparatie, impactul diferitelor cresteri ale procesului de ramificare a fost relativ insuficient explorat [15,21].

Procesul de ramificare anterior (BPP), numit si „forma arborelui” sau „arborele de speciatie” anterior, este un model anterior al modului in care sunt generati copacii. Arborii filogenetici sunt rezultatul evenimentelor de specializare si extinctie, iar rolurile lor relative pot fi variate si reprezentate ca modele diferite de diversificare [22]. Aceste modele plaseaza efectiv o prioritate asupra cresterii copacilor filogenetici. Distributiile de probabilitate asupra modelelor de diversificare au fost folosite in unele dintre cele mai timpurii incercari de a utiliza tehnici de probabilitate pentru a reconstrui genealogiile [23]. Cele doua cele mai utilizate BPP-uri sunt procedeul Yule (numit si „nastere pura”), care modeleaza formarea copacilor cu o rata constanta de speciatie si fara stingere si procesul de nastere-moarte, care include speciatia, precum si o rata constanta de stingere a liniei. Varstnicii de nastere-moarte au fost folositi in filogenetica bayesiana [24]; Cu toate acestea, majoritatea analizelor publicate folosesc Yule anterior, poate pentru ca initial a fost singura priora pentru procesul de diversificare implementat in pachetul software Bayesian utilizat pe scara larga BEAST [16]. Desi anterior nastere-moarte a fost recent integrata in acest software [25,26], multe analize filogenetice inca folosesc Yule anterior (probabil pentru ca manualul BEAST recomanda utilizarea Yule anterior, vezi p. 10 din manualul BEAST, versiunea 1.4). Putine studii au folosit ambii priosi in datarea bayesiana si chiar mai putini au comparat impactul alegerii anterioare, chiar daca studiile recente au inceput sa faca acest lucru (ex. [27]). Unul dintre primii care a folosit ambii priors este studiul lui Couvreur poate pentru ca initial a fost singurul prior pentru procesul de diversificare implementat in pachetul software Bayesian pe scara larga BEAST [16]. Desi anterior nastere-moarte a fost recent integrata in acest software [25,26], multe analize filogenetice inca folosesc Yule anterior (probabil pentru ca manualul BEAST recomanda utilizarea Yule anterior, vezi p. 10 din manualul BEAST, versiunea 1.4). Putine studii au folosit ambii priosi in datarea bayesiana si chiar mai putini au comparat impactul alegerii anterioare, chiar daca studiile recente au inceput sa faca acest lucru (ex. [27]). Unul dintre primii care a folosit ambii priors este studiul lui Couvreur poate pentru ca initial a fost singurul prior pentru procesul de diversificare implementat in pachetul software Bayesian pe scara larga BEAST [16]. Desi anterior nastere-moarte a fost recent integrata in acest software [25,26], multe analize filogenetice inca folosesc Yule anterior (probabil pentru ca manualul BEAST recomanda utilizarea Yule anterior, vezi p. 10 din manualul BEAST, versiunea 1.4). Putine studii au folosit ambii priosi in datarea bayesiana si chiar mai putini au comparat impactul alegerii anterioare, chiar daca studiile recente au inceput sa faca acest lucru (ex. [27]). Unul dintre primii care a folosit ambii priors este studiul lui Couvreur multe analize filogenetice folosesc inca Yule anterior (probabil pentru ca manualul BEAST recomanda utilizarea Yule anterior, vezi p. 10 din manualul BEAST, versiunea 1.4). Putine studii au folosit ambii priosi in datarea bayesiana si chiar mai putini au comparat impactul alegerii anterioare, chiar daca studiile recente au inceput sa faca acest lucru (ex. [27]). Unul dintre primii care a folosit ambii priors este studiul lui Couvreur multe analize filogenetice folosesc inca Yule anterior (probabil pentru ca manualul BEAST recomanda utilizarea Yule anterior, vezi p. 10 din manualul BEAST, versiunea 1.4). Putine studii au folosit ambii priosi in datarea bayesiana si chiar mai putini au comparat impactul alegerii anterioare, chiar daca studiile recente au inceput sa faca acest lucru (ex. [27]). Unul dintre primii care a folosit ambii priors este studiul lui Couvreursi colab. [28], care a estimat istoria evolutiva a Brassicaceae folosind o abordare BRC cu ambele priefuri. Estimarile de varsta nu difera de modelele de diversificare Yule sau de nastere-moarte si ambele modele se potrivesc la fel de bine. In timp ce aceste rezultate ar putea fi interpretate pentru a insemna ca BPP are o influenta mica asupra reconstructiei BRC in general, Brassicaceae sunt un grup relativ tanar care a avut originea in Eocen (intervalul de credibilitate de acum 24,2-49,4 milioane de ani, Ma) si care probabil nu a avut experienta majora. evenimente de stingere. Cu toate acestea, alegerea diversificarii anterioare ar putea face o diferenta substantiala pentru grupurile care au suferit o extinctie semnificativa si pentru care utilizarea unui Yule cu nastere pura ar putea da rezultate spuroase.

Cicadele (Cycadopsida: Cycadales) sunt o grupare vegetala deosebit de potrivita pentru testarea influentei BPPs asupra datarii moleculare. Speciile de astazi (331 de specii din tropice si subtropice, [29]) se considera ca reprezinta ultimele ramasite ale trecutului lor formidabil, iar istoria lor evolutiva se intinde pana la mijlocul Permianului (~ 270 Ma) [30-33]. Cicadele au fost martorii multor schimbari drastice ale mediului [34-37] si au suferit probabil perioade majore de disparitie [6,38]. Datorita bogatiei si diversitatii lor din registrele fosile mezozoice, se presupune ca de multa vreme diversitatea lor actuala este de origine relictala datand din cretacul tarziu [30,39-42].

In ciuda acestor studii recente, raman incertitudini de datare in istoria evolutiva a cicladelor. La nivel generic, unele fosile sugereaza ca diferitele radiatii ar putea fi mult mai vechi decat Miocenul tarziu (adica Eocen). Intr-adevar, au fost documentate numeroase fosile pre-miocene cicladice (de exemplu [44-49]), care sunt probabil reprezentanti timpurii ai genurilor vii. De exemplu, fosilele descrise recent din Cenozoicul timpuriu din China au fost atribuite grupului de coroane din Cycas[50], dar aceasta atributie este indoielnica, avand in vedere omoplazia extinsa din caracterele utilizate pentru a lega fosilele cu taxonul existent [51]. Chiar daca exista posibilitatea ca, in schimb, fosilele sa fie alocate tulpinii, acestea pun la indoiala dateaza. La nivelul intregului grup, diferite studii folosind calibrari fosile similare (dar diferite probe de taxon si moleculare) au produs estimari de varsta diferite, in special pentru originea coroanei cycad: ≈200 Ma pentru Nagalingum et al. [6] si ≈ 230 Ma pentru Salas-Leiva si colab. [43]. Prin urmare, sunt necesare analize de date suplimentare pentru a estima varsta cycadului si pentru a valida radiatiile generice recente.

In reconstructia filogeniei cicadelor, Nagalingum si colab.[6] a prelevat aproximativ doua treimi din toate speciile cunoscute si a utilizat un set de date molecular compus din doua gene cloroplast si o gena nucleara (desi majoritatea taxonilor aveau doar gena nucleara). Pe langa probabilitatea Penalizata si un ceas molecular strict, au dedus vechimea si timpii de divergenta folosind abordarea BRC implementata in BEAST, calibrate cu patru constrangeri fosile si un proces de moarte la nastere ca BPP. Procesul de nastere-moarte utilizat in analizele bayesiene a dat un raport ridicat de extinctie la speciatie (rata relativa a mortii, 0,97) [6], ceea ce sugereaza un rol dominant al extinctiei in conturarea filogeniei cicadelor. Avand in vedere cunostintele noastre anterioare de evolutie a cycad-urilor din registrul fosililor, utilizarea unei prioritati care include extinctia este realista. Totusi, Nagalingum si colab. [6] nu a evaluat sprijinul nasterii-moarte anterior fata de alti varstnici.

Acest studiu are patru obiective: (i) investigarea impactului BPP asupra datarii cladurilor antice, folosind ca exemplu exemplele, (ii) evaluarea daca nasterea-moartea anterioara este sustinuta statistic, (iii) studierea diferentei dintre Yule si nastere-moarte inainte de intelegerea noastra de diversificare a cycadelor si (iv) oferirea unei cronometre a cicladelor care sa concilieze datele fosile si filogenetice. De asemenea, discutam explicatii potentiale pentru diferentele obtinute atunci cand se utilizeaza diferiti priors si consecintele alegerii prealabile pentru datarea moleculara bayesiana.

Prelevare de taxe si set de date molecular

Am extins setul de date molecular al Nagalingum si colab. [6] care initial continea 199 de specii de cycad. Am adaugat date moleculare pentru 38 de specii suplimentare si aceleasi gene preluate de la Genbank [52-57]. Setul nostru de date cuprinde trei gene care acopera doua gene plastide: matasa K (matK, 2.387 nucleotide, 82 de taxoni) si subunitatea mare de ribuloza 1,5-bisfosfat carboxilaza (rbcL, 1.398 nucleotide, 80 de taxone) si o gena nucleara: regiunea 1 de fitocrom (PHYP, 1.802 nucleotide pentru 201 taxone). Acest lucru a dus la un numar de 237 specii din 331 specii descrise (71%), reprezentand toate genurile existente cu urmatorul numar de specii pe gen: 2 din cele 2 Bowenia ( B. serrulata si B. spectabilis ), 65 din 107 Cycas, 24 din 27 Ceratozamia , 8 din cele 14 Dioon , toate cele 65 de Encephalartos , 2 din cele 2 Lepidozamia ( L. hopei si L. peroffskyana ), 26 din 41 Macrozamia , calocomul monotipic Microcyas , unicul Stangeria eriopus , si 43 din 71 Zamia (inclusiv genul junior sinonim Chigua ) (figura 1). In urma Nagalingum si colab. [6], setul de date a inclus, de asemenea, sase specii sub forma de grupuri: Ginkgo biloba (Ginkgoales), care este recunoscut drept linia sora a cicloadelor [58]; plus cinci specii de conifere (Abies firma , Araucaria heterophylla , Cryptomeria japonica , Pinus strobus si Pseudotsuga menziezii ). Analizele filogenetice au fost astfel realizate pe un set de date care contine un total de 243 specii (dintre care 237 sunt ciclade) si 5587 nucleotide. Informatiile despre fiecare specie esantionata sunt prezentate in fisierul suplimentar 1: tabelul S1.

Calibrari de fosile

Pentru calibrarea arborelui cycad, am folosit doua seturi de date fosile. In primul rand, am urmat Nagalingum si colab. [6] si a folosit patru constrangeri fosile de cycad (FC1-4), care au fost preluate dintr-o examinare atenta a inregistrarii fosilelor cycad ([32]; Figura 1). Aceste patru fosile au fost, de asemenea, utilizate de catre Salas-Leiva si colab. [43]. In continuare, acest set de date fosile este denumit „setul de date fosil traditional” (FC1-4). In al doilea rand, am folosit aceste patru fosile si am adaugat doua fosile bazate pe analizele filogenetice ale lui Hermsen si colab. [32] si Martinez si colab.[59]. Inregistrarea fosilelor a fost reexaminata dupa ce au fost descoperite noi fosile din Cretacic, ceea ce nu a afectat atribuirile de fosile generale, dar a permis utilizarea de noi fosile pentru a calibra arborele cycad [59], dintre care doua sunt folosite cu titlu aici. In continuare, acest set de date fosile este denumit „nou set de date fosile” (FC1-6).

Pe baza prezentei de sinapomorfii care leaga fosilele de cladurile existente, toate fosilele au fost utilizate ca restrictii de varsta minima pentru nodurile specifice ([32,59], figura 1). Cu toate acestea, din moment ce sinapomorfiile pot evolua oriunde de-a lungul ramurii tulpinii, iar fosila se poate atasa oriunde de-a lungul acestei ramuri [60], am folosit o abordare obisnuita prin care fosilele constrang tulpina, mai degraba decat nodul coroanei [61,62]. Epocile fosile absolute pe care le-am folosit (detaliate mai jos) sunt usor diferite de cele utilizate in Nagalingum si colab.[6], in principal datorita unei perioade geologice actualizate [63]. Datarea fosilelor mai vechi de ~ 50.000 de ani este dificila, ceea ce inseamna ca acele fosile sunt de obicei atribuite unui interval stratigrafic, de exemplu, Miocenul tarziu. Varstele alocate mai jos sunt varstele celor mai tineri dintre limitele intervalului stratigrafic in care a fost gasita fosila (fosila va fi de fapt mai veche decat aceasta denumire de varsta).

Tija Cycad (FC1, Mai tanar = 265,1 Ma si Mai in varsta = 364,7 Ma)

Cele mai vechi inregistrari posibile ale grupului Cycadophyta sunt microstrobili (de exemplu [64]) si megasporofile (de exemplu [65,66]), dintre care † Crossozamia (opt specii cunoscute) este cea mai putin echivoca din punct de vedere al afinitatii filogenetice [32,59, 66]. Crossozamia consta din megasporofile cu morfologie similara cu Cycas-ul existent [65,66]. Desi Hermsen si colab. [32] a identificat Crossozamia ca fiind sora lui Cycas , cele doua personaje care sustin aceasta relatie nu ofera dovezi puternice pentru Crossozamiaapartinand cicladelor grupului coroanei [59]. In plus, conul slab agregat este cel mai probabil o stare ancestrala in interiorul cicloadelor. Prin urmare, divergenta dintre cicloade si Ginkgo biloba a fost restrictionata folosind Crossozamia . Epoca formarii rocilor gazda (Shihhotse) care pastreaza fosilele Crossozamiei a fost descrisa initial ca Permian inferior, dar epoca Formatiei Shihhotse a fost revizuita la Roadian-Wordian (265.1-272.3; [63]) in Permianul de mijloc [67]. Am utilizat varsta minima a acestui interval de timp (265,1 Ma) ca varsta minima pentru tulpina cicloadelor. Aceasta varsta a fost folosita si ca varsta maxima conservatoare posibila pentru nodurile cu calibrari fosile interne (FC2-FC4).

Tulpina de Dioon (FC2, Mai tanar = 56 Ma si Mai in varsta = 265,1 Ma)

Originea grupului stem din Dioon a fost constransa de frunzele fosile ale † D. inopinus si † D. praespinulosum [44], care au sinapomorfii in concordanta cu anastomozele venarii prospectului si insertia pliantului pe rahisul Dioonului existent [32]. Desi initial descrisa ca Eocene de Hollick [44], o interpretare mai recenta a compozitiei florei Hamilton Bay (Formatia Kootznahoo), Insula Kupreanof, Alaska, din care au fost descrise initial fosile ambelor Dioon , sugereaza ca sunt de varsta paleocena [ 6,32]. Prin urmare, tulpinei Dioon i s-a atribuit o varsta minima de 56 Ma [63].

Tulpina Bowenia (FC3, Mai tanar = 33,9 Ma si Mai In varsta = 265,1 Ma)

Fosilile cu frunze de Bowenia ale † B. eocenica si † B. papillosa [68], ambele gasite in Australia, au fost folosite pentru a constrange divergenta Boweniei de la alte genuri. Aceste fosile au fost identificate ca membri ai genului existent pe baza caracterelor cuticulare (adica numarul de celule subsidiare) si morfologia prospectului (adica venarea si marja serrata). Ambele specii fosile au fost gasite in depozitele de Eocen australian (la Anglesea, Victoria pentru † B. eocenica , si la Nerriga, Noua Tara Galilor de Sud pentru † B. papillosa ), ceea ce confera o limita de varsta minima la 33,9 Ma pentru tulpina Bowenia [63] .

Lepidozamia tulpina (FC4, Mai tanar = 33,9 Ma si Mai in varsta = 265,1 Ma)

Frunzele fosile de Lepidozamia din † L. Hopeites si † L. foveolata sunt, de asemenea, din Australia [45]. Fosilile acestui gen pot fi identificate prin caractere cuticulare (orientarea celulelor epidermice in raport cu axa pinna) care sunt unice pentru Lepidozamia si sustin afinitatea cu genul existent [32,45]. Gasit in Eocenul australian (la Nerriga, New South Wales pentru † L. foveolata ), aceasta a stabilit o varsta minima de 33,9 Ma pentru tulpina Lepidozamiei [63].

Coroana Cycad (FC5, Mai tanara = 235 Ma si Mai veche = 364,7 Ma)

Epoca cicladelor moderne poate fi calibrata cu † Antarcticycas schopfii [69]. Antarcticacele fosile a fost studiat pe larg [32,70]. O reconstructie a obiceiului plantelor a fost chiar propusa [70]. Acest lucru face ca Antarcticele sa fie cele mai cunoscute dintre taxonii extrasi ciclati trisici, daca nu chiar din toate cicladele fosile, datorita prezentei organelor conservate anatomic [70]. Interesant este ca studiile filogenetice au atribuit, de asemenea, in mod tentativ, Antarcticele in cadrul cicladelor moderne si aproape de coroana cicloadelor [32,59]. Niciunul dintre genurile existente nu este sora filogenetica a Antarcticacelor , ceea ce il face o valoroasa calibrare a fosililor pentru coroana cicladelor. Antarcticycasa fost gasit in Fremouw Formarea Triassicului Mijlociu timpuriu al Antarcticii. Am folosit o epoca conservatoare a Triassicului Mijlociu, adica 235 Ma [63], desi ramane incertitudine cu privire la adevarata epoca a Formatiei Fremouw, cu unii autori care sugereaza o epoca anisiana (242-247,2 Ma).

Tulpina Encephalarteae (FC6, Mai tanar = 72,1 Ma si Mai in varsta = 265,1 Ma)

Multe fosile au fost atribuite tribului Encephalarteae bazate pe dovezi morfologice si filogenetice [32,59]. Printre ei, recent descoperita † Wintucycas stevensonii [59] este una dintre cele mai cunoscute fosile. Wintucycas are caracteristici care ne permit in mod clar sa-l atribuim lui Encephalarteae datorita lemnului lor manoxilic, polilipului centripetal, pith-ului parenchimatos, polilipului centrifugal si manunchilor vasculare medulare. Wintucycas a fost gasit in Formatia Allen (mijlocul Campanian pana la Maastrichtianul timpuriu) din Cretaceul tarziu al Argentinei (Patagonia), oferind o varsta minima pentru tulpina Encephalarteae la 72,1 Ma [63].

Inaltimea radacinii copacilor

Inaltimea radacinii arborelui este divergenta dintre Cycadales si Ginkgoales. In urma lui Clarke si colab. [62], o varsta maxima poate fi stabilita cu primele inregistrari ale semintelor sub forma de preovule care satisfac criteriile obisnuintei semintelor. Aceste criterii sunt detinerea unui singur megaspore functional care este invelit intr-un nucel (considerat echivalent cu megasporangiul), care este inconjurat (intr-o oarecare masura) de un integument sau un pre-integument si are mecanisme care permit captarea polenului inainte de diseminarea semintelor. [62,71]. Toate criteriile sunt indeplinite pentru prima data cu † Elkinsia polimorfagasit in sporul VCo Biozone, Formatia Evieux [71] din Armenia (Devonian tarziu). Biozone spor VCo se intinde pe 364.7-360.7 Ma [63]. O varsta maxima pentru gimnosperme este astfel 364,7 Ma. De asemenea, am folosit aceasta varsta pentru a stabili varste maxime pentru tulpina cycad (FC1) si coroana (FC5).

Reconstructii filogenetice

Pentru a obtine un arbore de pornire pentru analizele de intalnire, inferentele Bayesiene au fost efectuate cu MrBayes 3.2.3 [72]. Pentru a determina cea mai potrivita schema de partitionare a evolutiei moleculare pentru setul nostru de date, am folosit PartitionFinder 1.1.1 [73]. Pentru analizele PartitionFinder, lungimile de ramura erau nelegat pentru a le permite sa fie estimate in mod independent pentru fiecare partitie. Cel mai bun model cautat, dintre cele disponibile in MrBayes, a fost efectuat in baza algoritmului lacom bazat pe metoda modelului Bayesian Information Criterion. Am folosit schema de partitionare si variatia ratei dintre site-uri sugerata de PartitionFinder, dar in loc sa selectam un model de substitutie a priori, am folosit lantul markov cu salt reversibil Monte Carlo (rj-MCMC) pentru a permite prelevarea de probe pe intregul spatiu al modelului ratei de substitutie [74].

Analizele MrBayes au constat in patru rj-MCMC care s-au desfasurat timp de 100 de milioane de generatii, cu prelevare de probe la fiecare 10.000 de generatii si primele 25% au fost aruncate sub forma de burn-in. Am specificat (i) o probabilitate uniforma anterioara de filogenii (adica toti arborii posibili sunt considerati a priori la fel de probabili) si (ii) o distributie anterioara uniforma a probabilitatilor pe lungimile ramurilor. Convergenta rularilor a fost evaluata verificand valorile factorului de reducere a scarii potentiale (PSRF) a fiecarui parametru din MrBayes si valorile efective ale marimii esantionului (ESS) ale fiecarui parametru din Tracer 1.6 [75]. Valorile PSRF apropiate de 1.00 si ESS peste 200 au fost considerate un bun indicator al convergentei. Nodurile recuperate cu probabilitate posterioara (PP) ≥ 0,95 sunt considerate a fi puternic acceptate.

Analize bayesiene cu ceas relaxat

Pentru toate analizele de datare, am utilizat abordarea BRC, astfel cum a fost implementata in BEAST 1.8 [26]. BEAUti 1.8 a fost utilizat pentru a crea fisierul de intrare BEAST. Am implementat modele de ceas relaxat partitionate cu un model de ceas lognormal necorelat, care presupune o distributie lognormala de baza (UCLD) a ratelor evolutive [16], care este mai probabil sa produca estimari exacte decat modelul de ceas relaxat necorelat care presupune o distributie exponentiala a ratele evolutive [76]. Am utilizat acelasi model de substitutie a nucleotidelor ca pentru analizele MrBayes. Avand in vedere ca unul dintre obiectivele principale ale studiului a fost investigarea impactului BPP asupra datarii moleculare, am stabilit pomul anterior in BEAST, fie in Yule, fie in procesul de nastere-moarte [23]. In urma abordarii riguroase a lui Vanneste et al.[77], am utilizat urmatoarele niveluri anterioare: o uniforma anterioara intre 0 si 10, cu o valoare de pornire de la 0,1 pentru rata de crestere a natalitatii Yule si a natalitatii-moarte, si o uniforma anterioara intre 0 si 1, cu o valoare de pornire la 0,5. pentru rata relativa a mortii de nastere-nastere. Am folosit o prioritate exponentiala cu o medie de o treime la abaterea standard a modelului UCLD si o prioritate uniforma intre 0 si 1 pe media modelului UCLD. Etalonarile fosile au fost stabilite in mod conservator, cu o distributie uniforma delimitata de varstele minime si maxime, asa cum s-a explicat mai sus. A fost introdus un arbore de pornire cu lungimi de ramura care sa satisfaca toate constrangerile anterioare fosile, astfel cum rezulta din analizele MrBayes (descrise mai sus) [77]. „Operatorii arbori” ai modelului de arbore BEAST au fost dezactivati pentru a mentine topologia fixata, astfel incat numai lungimile ramurilor au fost optimizate. Aceasta procedura asigura o mai buna convergenta a topologiei arborelui (S. Ho, com. Pers.). Alti parametri au fost pastrati la distributia lor prealabila sau au fost specificati indirect prin alti parametri.

Am conceput patru analize BEAST distincte, amestecand setul de date fosil si BPP, dupa cum urmeaza (i) utilizarea „setului de date fosil traditional” si modelul Yule ca BPP; (ii) utilizarea „setului de date fosil traditional” si a procesului de nastere-moarte ca BPP; (iii) utilizarea „noului set de date fosile” si a modelului Yule ca BPP; si (iv) utilizarea „noului set de date fosile” si a procesului de nastere-moarte ca BPP. Pentru fiecare set de date despre fosile, am inclus toate fosilele pentru datarea arborelui si nu am efectuat analize de validare incrucisata, deoarece Warnock si colab.[78] a pus sub semnul intrebarii abordarea de validare incrucisata pentru a masura coerenta dintre calibrarile bazate pe constrangerile minime [61,79]. Cel mai eficient mijloc de a stabili calitatea calibrarilor pe baza de fosile este printr- o evaluare a priori a datelor paleontologice, stratigrafice, geocronologice si filogenetice intrinseci, pe care le descriem mai sus.

Analizele MCMC au fost efectuate timp de 100 de milioane de generatii si au fost prelevate la fiecare 10.000 de generatii, rezultand 10.000 de copaci in distributia posterioara; am aruncat primii 2.500 de copaci ca arsi. Am folosit BEAGLE [80], o biblioteca pentru inferente filogenetice statistice performante, cu parametri impliciti. Acest lucru a permis un calcul mai rapid si mai precis al modelelor de probabilitate in analizele BEAST. Toate analizele BEAST au fost efectuate pe clusterul computerului CIPRES Science Gateway 3.3 ([81]; http://www.phylo.org/). Tracerul a fost utilizat pentru a evalua grafic convergenta rularilor si pentru a verifica ESS pentru toti parametrii (indicati de ESS peste 200). Pentru fiecare analiza, am efectuat doua runde independente pentru a asigura convergenta MCMC. Postati copaci arsiti din cele doua runde distincte (7,

In analizele bayesiene, modelele au fost comparate in mod traditional folosind estimarea medie armonica (HME). Au fost dezvoltate alte abordari pentru a calcula cu exactitate estimarea marginala a probabilitatii (MLE) a modelului specificat, cum ar fi esantionarea pe cale (PS) [82] si esantionarea cu pietre de treapta (SS) [83]. PS si SS depasesc substantial estimatorul HME, care supraestimeaza probabilitatea marginala si nu reuseste sa selecteze in mod fiabil cel mai bun model [76]. Am efectuat MLE folosind SS cu 150 de pasi de cale, fiecare cu lungimea lantului de un milion de iteratii (G. Baele, com. Pers.), Iar alti parametri au fost setati implicit. Am calculat direct factorii log-Bayes (in continuare BF) [76,84] din MLEs si am folosit BF pentru a compara suportul Yule si procesele de nastere-moarte pentru o strategie de calibrare data.

Rata macro-evolutiva in timp

Am utilizat analiza bayesiana a amestecului macroevolutionar (BAMM, www.bamm-project.org) pentru a estima ratele de specie si de extinctie in timp si intre / in interiorul cladelor [85-87]. BAMM este un instrument analitic pentru studierea proceselor evolutive complexe pe arbori filogenetici, potential conturat de un amestec eterogen de dinamici evolutive distincte de specializare si de disparitie pe clade. Metoda utilizeaza rj-MCMC pentru a detecta automat schimbarile de viteza si pentru a proba dinamici evolutive distincte care explica cel mai bine intreaga dinamica de diversificare a cladei. In cadrul unui regim dat, dinamica evolutiva poate implica rate de diversificare variabile in timp; in BAMM, rata de specializare este permisa sa varieze exponential in timp, in timp ce extinctia este mentinuta constanta [86]. Subclasele din copac se pot diversifica mai repede (sau mai lent) decat altele,ipoteze a priori cu privire la cate si unde ar putea aparea aceste schimbari. BAMM ofera estimari ale probabilitatii marginale ale ratelor de specie si de extinctie la orice moment al timpului de-a lungul oricarei ramuri a copacului. Probabilitatile marginale ale numarului de regimuri evolutive pot fi, de asemenea, calculate, permitand comparatii de modele cu un numar dat de schimbari cu BF.

Estimarea ratelor de extinctie din filogeniile reconstruite este notoriu dificila [88-90], desi nu este imposibila (a se vedea caseta 3 din Morlon [22] pentru o discutie a subiectului si ref. [91-94] pentru lucrarile recente care contrazic ideea larg raspandita ca ratele de extinctie nu pot fi estimate din filogeniile moleculare). Dezvoltatorul abordarii atentioneaza ca BAMM estimeaza disparitia ar trebui sa fie luate cu atentie [87], deoarece acestea sunt sensibile la alegerea celor anterioare si au intervale mari de incredere. Totusi, aceste estimari sunt corelate cu ratele subiacente (Figura cinci B din Rabosky [87]). Diferentele in estimarile ratei de extinctie provin adesea din modele adecvate bazate pe ipoteze subiacente care sunt incalcate in natura, cum ar fi montarea de modele cu rate omogene pe clade atunci cand au avut loc schimbari majore de viteza (vezi ref. [90,93], dar vezi [94]). Abordarea BAMM ar trebui, in principiu, sa ajute cu aceste probleme, deoarece explica in mod explicit eterogenitatea ratelor pe clade, permitand in acelasi timp ratele sa varieze in timp [85-87]. Impartasim parerea lui Beaulieu si a lui O’Meara [94] ca ar trebui sa utilizam prudenta, dar sa nu abandonam orice speranta, de a estima extinctia din filogeniile moleculare. Prin urmare, consideram ca este esential sa evaluam efectul alegerii prealabile a BPP asupra acestor estimari si sa le discutam in functie de ceea ce se stie din registrul fosilelor cicloadelor. de estimare a disparitiei din filogeniile moleculare. Prin urmare, consideram ca este esential sa evaluam efectul alegerii prealabile a BPP asupra acestor estimari si sa le discutam in functie de ceea ce se stie din registrul fosilelor cicloadelor. de estimare a disparitiei din filogeniile moleculare. Prin urmare, consideram ca este esential sa evaluam efectul alegerii prealabile a BPP asupra acestor estimari si sa le discutam in functie de ceea ce se stie din registrul fosilelor cicloadelor.

BAMM este implementat intr-un program de linie de comanda C ++ si in pachetul R BAMMtools [87]. Am efectuat analize BAMM pe orarul calibrat cu „setul de date despre fosile noi” si reconstruit cu Yule sau cu moartea la nastere. Am stabilit patru rj-MCMC care functioneaza timp de 50 de milioane de generatii si am prelevat probe la fiecare 50.000 de generatii. Un procedeu Poisson compus este implementat in BAMM pentru probabilitatea anterioara a unei schimbari de viteza de-a lungul oricarei ramuri. Am utilizat o valoare anterioara de 1,0, ceea ce implica o ipoteza nula de nicio schimbare a ratei in filogenie, asa cum recomanda Rabosky [87]. Am luat in calcul esantionarea incompleta a taxonului folosind corectia analitica implementata, cu o fractiune de esantionare stabilita la 0,716 (adica 237 specii din 331 specii descrise). Am efectuat patru alergari independente (cu o ardere de 10%) folosind diferite seminte, si am utilizat ESS pentru a evalua convergenta rularilor, considerand valori peste 200 ca indicand convergenta. Distributia posterioara a fost utilizata pentru a estima configuratia schimbarilor de viteza de diversificare; au fost comparate modele alternative de diversificare folosind BF. Pentru a completa aceste analize, am calculat probabilitatea in perechi ca oricare doua linii sau clade sa imparta un set comun de parametri de rata macroevolutionara, folosind analiza de coorta macroevolutionara implementata in BAMM [87].

Filogenia cicloadelor

Tracer-urile au indicat ca rulajele MrBayes au atins convergenta inainte de 10 milioane de generatii (rezultatele nu sunt prezentate). Convergenta analizelor a fost, de asemenea, sustinuta de abaterea standard medie a frecventelor divizate (<0,01), toate valorile PSRF apropiate de 1,0 (intre 0,999 si 1,019) si valorile ESS peste 200 (cu multe> 1000) pentru post-ardere. in copaci. Arborele Bayesian rezultat au fost bine rezolvati: toate nodurile arborelui vertebral si nodurile coroanei de gen au fost recuperate cu probabilitati maxime posterioare (PP = 1, Figura 1 si fisierul suplimentar 2: Figura S1). Numai nodurile din radiatiile genelor au fost recuperate cu PP mai scazut, ceea ce era de asteptat, deoarece divergenta genetica intre speciile de cycad din genuri este scazuta ( Cycas : [95,96]; Ceratozamia : [52]; Dioon : [56];Encephalartos : [97]; Macrozamia : [98]; Zamia : [99]). Analizele noastre MrBayes sunt in concordanta cu rezultatele lui Nagalingum si colab. [6], dar difera de alte studii [43,54,55,100]. In special, genul Bowenia se gaseste ca sora cladei ( Ceratozamia , Stangeria ), ( Microcycas , Zamia )) ca in Nagalingum si colab. [6], dar o pozitie alternativa este aceea ca Bowenia este sora tuturor genurilor, cu exceptia lui Cycas si Dioon [43].

Estimarea timpului divergent si selectia modelului pentru procesul de ramificare anterior

Convergenta analizelor de datare a fost asigurata prin valori ESS peste 200 pentru toti parametrii (cu multi> 1000) pentru arborii post-arde (Tabelul 1), iar traseele Tracer au indicat ca rularile BEAST au atins convergenta inainte de pragul de ardere. Alegerea procesului de ramificare anterior a avut un efect izbitor asupra estimarilor de varsta (Figurile 2 si 3; Tabelul 1). Analizele cu Yule au dedus varste mult mai vechi pentru genurile de cycad (Figura 4). Varstele coroanei la nivel de gen au fost, in medie, de trei ori mai mari cu un Yule decat cu o nastere-moarte anterioara (diferenta de 3,2 ori cu „setul de date fosile traditionale” si de 2,9 ori cu „noul set de date fosile”). Aceasta diferenta a fost destul de izbitoare, cu intervale de credibilitate care nu se suprapun (densitatea posterioara cea mai mare cu 95%) pentru varstele coroanei de gen (Figura 4). Varfurile tulpinilor generice si unele varste ale nodurilor mai profunde au fost, de asemenea, deduse a fi mai vechi cu Yule decat cu nasterea-moartea anterioara, desi diferenta nu a fost la fel de marcata ca in cazul varstei coroanei genului (Figura 5). Cu toate acestea, varstele-moartea la nastere si Yule privesc de obicei varste similare pentru tulpina cycad si varstele coroanei (Figura 5). Analizele cu procesul de nastere-moarte au dedus o estimare foarte mare a ratei relative de extinctie (raportul de extinctie la speciatie sau cifra de afaceri) cu o mediana = 0,966 pentru intalnirea cu patru FC (95% HPD 0,9255-0,9972) si o mediana = 0,962 pentru intalnirea cu sase FC (95% HPD 0,9153-0.9947). nasterea-moartea si Yule superioare au de obicei inferioare varste similare pentru tulpina cycad si varstele coroanei (figura 5). Analizele cu procesul de nastere-moarte au dedus o estimare foarte mare a ratei relative de extinctie (raportul de extinctie la speciatie sau cifra de afaceri) cu o mediana = 0,966 pentru intalnirea cu patru FC (95% HPD 0,9255-0,9972) si o mediana = 0,962 pentru intalnirea cu sase FC (95% HPD 0,9153-0.9947). nasterea-moartea si Yule superioare au de obicei inferioare varste similare pentru tulpina cycad si varstele coroanei (figura 5). Analizele cu procesul de nastere-moarte au dedus o estimare foarte mare a ratei relative de extinctie (raportul de extinctie la speciatie sau cifra de afaceri) cu o mediana = 0,966 pentru intalnirea cu patru FC (95% HPD 0,9255-0,9972) si o mediana = 0,962 pentru intalnirea cu sase FC (95% HPD 0,9153-0.9947).

Valorile factorului Bayes, calculate cu estimarile de probabilitate marginala ale analizelor initiale, sustin procesul de nastere-moarte ca fiind arborele cel mai bun (Tabelul 1). Dintre cele doua perechi de analize BEAST (patru FC si sase FC), valorile BF sunt peste pragul standard: BF4FC = 26,66 intre Yule si nasterea-moartea anterioara si BF6FC = 36,3 intre Yule si nasterea-moartea anterioara. Dimpotriva, HME a gasit contrariul, adica modelul Yule este cel mai bun prior pentru ambele seturi de date pentru toate analizele (Tabelul 1). Rezultatele pentru cicade sustin astfel rezultatele anterioare care arata ca estimatorul HME nu este de incredere [76].

Rata macro-evolutiva in timp

Analizele BAMM au convergut pentru ambii arbori (ESSYule = 719,6, Fisier suplimentar 3: Figura S2; ESSbirth-death = 750,6, Fisier suplimentar 4: Figura S3). Alegerea BPP a avut o influenta majora asupra numarului diferitelor regimuri evolutive detectate in istoria cicladelor, precum si asupra estimarii ratelor de speculatie si de extinctie in intregul arbore (Figura 6). Analizele cu Yule au sustinut anterior un model cu trei regimuri evolutive (adica doua schimbari de viteza, fisier suplimentar 5: Figura S4) localizate la coroana genelor Cycas si Encephalartos(conform valorilor BF> 10, si BF = 154,5 peste modelul nul). Pe de alta parte, analizele cu nasterea-moartea anterioara au sustinut un model cu cinci regimuri evolutive (adica patru schimbari de viteza, fisier aditional 6: Figura S5) localizate la (sau aproape) coroana celor patru genuri cele mai bogate in specii (conform la valorile BF> 10, iar BF = 29,3 peste modelul nul). Mai mult, atat ratele de speciatie, cat si cele de extinctie estimate odata cu nasterea-moartea anterioara sunt de doua ori mai mari decat cele estimate cu Yule anterior (vezi scarile din figura 6). Setul credibil de configuratii de schimbare cu cele mai mari probabilitati posterioare este furnizat in fisierul suplimentar 7: Figura S6 pentru fiecare arbore. Cea mai buna schimbare de configurare este furnizata in fisierul suplimentar 8: Figura S7 pentru fiecare arbore.

Procesul de ramificare are un impact prealabil asupra timpului divergentei bayesiene

Analizele noastre de intalnire bayesiana evidentiaza un efect important al procesului de ramificare anterior timpului de divergenta al cicladelor. Intalnirea cu Yule a precedat constant varste pentru grupurile de coroane de gen care au fost de aproximativ trei ori mai mari decat cele obtinute odata cu nasterea-moartea anterioara. Arborele cycad datat cu procesul de nastere-moarte a sugerat initierea radiatiilor coroanei genurilor bogate in specii din Neogen, in timp ce modelul Yule a indicat ca radiatiile au inceput in paleogen. Aceste diferente de varsta a coroanei sunt notabile, deoarece intervalele de credibilitate de 95% pentru aceste noduri nu s-au suprapus. Este important de mentionat ca efectul BPP este redus la originea cicladelor, deoarece, pentru ambii priosi, radiatiile genului sunt subdivizate de ramuri lungi de tulpina originare din Trisic sau Permian. Acest model este recuperat pentru ambele strategii de calibrare. Prin urmare, BPP este o influenta importanta asupra analizelor de datare bayesiene.

Cauzele potentiale ale diferentelor de varsta intre priorii procesului de ramificare

Nu este clar de ce diferitii prighiti ai copacilor au un impact major asupra estimarilor timpului de divergenta. Cei mai importanti difera in principal in includerea unei rate de disparitie. In Yule anterior, nu exista nicio disparitie, dar in nasterea-moartea anterioara exista un parametru pentru rata de extinctie. Efectul disparitiei anterioare nasterii-mortii este ca exista noduri relativ mai mari spre prezent comparativ cu trecutul, deoarece extinctia nu a avut inca un efect asupra nodurilor mai recente, acest fenomen este cunoscut sub numele de „tragerea prezentului ”[25]. Acest tipar ar putea explica rezultatele contrastante gasite la intalnirea cu filogenia cycad cu o moarte-nastere sau un Yule anterior. Sprijinul pentru nastere-moarte anterioara include dovezi fosile care indica faptul ca au avut loc disparitii si au fost importante in modelarea evolutiei cicladelor. Mai general, disparitia este o trasatura dominanta a vietii, avand in vedere ca 99,9% din toate speciile care au existat vreodata sunt acum disparute [101]. Dar rolul si efectul disparitiei ar putea, de asemenea, sa explice de ce efectul BPP-urilor pare a fi specific pentru taxe (adica efect mic in Brassicaceae [28]). Intr-adevar, este posibil ca cladurile mai vechi sa fie mai sensibile la alegerea BPP, deoarece probabil ca extinctia este o componenta mai importanta a istoriilor lor evolutive. Simularile anterioare si studiile empirice au indicat ca intelegerea noastra a proprietatilor statistice ale diversificarii anterioare combinate cu distributia prealabila a calibrarilor este incompleta, in special atunci cand este considerata topologia arborelui [78,102,103]. Este o intrebare deschisa cu privire la importanta alegerii BPP pentru alte grupuri,

Alte prejudecati potentiale in cadrul procesului de ramificare

Desi contabilizarea extinctiei la prinderea BPP este un prim pas important, un model de moarte la nastere, cu rate omogene de-a lungul timpului si de-a lungul diferitelor clade din grupurile mari, este inca un model prea mare al evolutiei lor. In special, se considera ca ipoteza omogenitatii ratei estimeaza rata de extintie puternic partinitoare [90,93]. Va sugeram sa se dezvolte versiuni mai complexe pentru implementarea in software-ul de intalnire; intr-adevar, dovezi pentru diversificarea dependenta de varsta sau de timp in numeroase clade au dus la dezvoltarea unor metode care sa tina seama de eterogenitatea ratei in timp si pe clade [93, 104].

O alta partinire potentiala la nivelul BPP este utilizarea modelelor care presupun esantionare completa sau uniforma. Filogeniile sunt adesea esantionate putin, in special in grupurile cu ramuri lungi. Grupurile cu probe reduse incalca presupunerea de baza a majoritatii (daca nu a tuturor) priorilor de arbori implementate in datarea bayesiana, si anume ca prelevarea de taxon este aleatorie si consistenta pe toate cladele din copac (vezi p. 98 din Drummond si Bouckaert [105]) . In acest caz, este dificil sa gasesti prioane adecvate care sa descrie arborele: nici modelul Yule cu un singur parametru, nici modelul de nastere-moarte cu doi parametri nu se potrivesc unei situatii in care unele parti ale arborelui sunt dens esantionate, in timp ce altele constau dintr-un o singura specie cu ramuri lungi (adica Ginkgo versus cicadele).

Implicatii pentru analize de datare bayesiene

Marea majoritate a studiilor de intalnire moleculara folosind BEAST s-au bazat pe modelul Yule, desi unele studii recente au utilizat atat procesul Yule, cat si procesul de nastere-moarte [27,28,106]. Cu toate acestea, aceste studii nu au gasit diferente in estimarile de varsta intre cele doua modele si nici nu au efectuat analize ale factorilor MLE si Bayes. Aici am testat ipoteze evolutive concurente folosind un ceas relaxat bayesian sub doua prioale diferite de ramificare si am gasit sprijin mai puternic pentru moartea nasterii decat procesul Yule ca inainte de reconstructia arborelui cycad.

Selectia modelului este o etapa necesara, deoarece la fel ca in cazul bicadelor, alegerea prealabila poate avea implicatii importante daca se reconstruieste pur si simplu arborele folosind un model Yule asa cum se realizeaza frecvent. Concluziile privind varsta, diversificarea si / sau modelele biogeografice pot fi diferite in ceea ce priveste BPP (a se vedea mai jos). Se presupune ca cladurile de plante antice ar putea fi afectate de alegerea prealabila ca si pentru cicadele; in special, clade cu o inregistrare fosila veche si bine documentata, care a cunoscut probabil perioade de disparitie, cum ar fi coniferele [7,8], ferigi [3,4], gnetofite [5] si linii de angiosperme divergente timpurii [107,108]. O solutie ar putea fi inlocuirea modelului Yule utilizat in mod obisnuit cu procesul de nastere-moarte, care este mai realist, deoarece toate cladele au avut probabilitatea de a disparea, chiar si tinerii clade se diversifica in prezent.

Ca o poveste de precautie, va sugeram ca utilizatorii sa testeze in mod regulat intre persoanele superioare pentru a selecta priorul care se potriveste cel mai bine datelor lor. Estimatorii probabilitatii marginale [82,83] sunt inclusi in BEAST; prin urmare, selectia modelului poate fi relativ simpla. Mai mult, s-a demonstrat ca acesti estimatori de probabilitate marginala calculeaza cu exactitate BF pentru studiile BRC [76], ceea ce indica ca rezultatele studiului nostru empiric care arata impactul BPP sunt fiabile.

O origine tarzie permiana pentru cicade

Conform scenariului de intalnire sustinut de BF (adica, orarul reconstruit cu sase calibrari fosile si un proces de nastere-moarte), cicladele si Ginkgo s-au divergent in Carboniferul tarziu – Permianul timpuriu, iar cel mai recent stramos comun al cicladelor vii este de la sfarsitul anului Permian (274,5 Ma). In comparatie cu alte studii de datare, calendarul nostru se potriveste bine cu lucrarile recente privind varstele si radiatiile genului, dar copacul nostru impinge inapoi originea cicloadelor cu peste 50 de milioane de ani mai devreme (≈200 Ma pentru Nagalingum et al. [6]; ≈230 Ma pentru Salas-Leiva si colab. [43]). Pentru acestia din urma, rezultatele noastre sunt de acord cu alte studii de datare care au folosit restrictii de varsta pe coroana cycad (≈280 Ma pentru Won & Renner [5]; ≈270 Ma pentru Burleigh et al.[109]). Perioada noastra de ciclism este in concordanta cu polenizatorul de insecte cycad de ordinul Thysanoptera originare si diversificare in Permianul tarziu (286 Ma, [110,111]). In sfarsit, rezultatele noastre sunt de acord cu dovezi paleobotanice care indica faptul ca cicladele au aparut pentru prima data in Permianul tarziu si au devenit mai abundente si mai diverse in Triassic [33,39,40].

Cicadele au proliferat in timpul mezozoicului, o epoca caracterizata printr-o aparitie crescuta si diversitate de cicloade fosile, distribuite pe larg in intreaga clima relativ uniforma a supercontinentului Pangea [42]. In special, recordul triassic al Cycadales este printre cele mai cunoscute din istoria cycadelor, nu numai datorita cresterii marcate a numarului taxonilor de cycad definitivi, ci si pentru ca unele dintre cele mai bine conservate si informative taxone sunt din aceasta perioada. [70]. In general, este acceptat faptul ca cicloadele au devenit pentru prima data componente semnificative ale florilor terestre in timpul Triassicului Tarziu, ca parte a unei cifre de afaceri florale globale, cu flori de plante semintiale primitive fiind inlocuite de conifere si ciclade dupa extinctia in masa Permian-Triassic (252,2 Ma) [40,112,113] . In general, se considera ca cicadele au atins un varf al diversitatii in timpul jurasicului si au ramas relativ stabile in ceea ce priveste diversitatea in timpul cretacicului [34,112]. Rezultatele noastre arata ca mai multe linii majore de cicloane existente au fost stabilite in perioada cretaceului timpuriu pana la cretaceul tarziu, in special in Zamiaceae. Diversitatea actuala a Zamiaceae provine din liniasii supravietuitori ai cretacicului, o perioada de bogata diversitate de fosile pentru clada [30,33,114-116].

Schema de diversificare globala a cicloadelor

Cronometrul cycad este remarcabil pentru ramurile sale lungi care subcentreaza radiatiile genului. Cel mai remarcabil exemplu este ramura care conduce la genul Cycas, care are o lungime de peste 200 de milioane de ani. Rezultatele noastre indica faptul ca diversificarea extinsa a speciilor de cycad a avut loc in Neogene, in acord cu alte studii [6,38,43]. Niciun nod de coroana din niciun gen de specii moderne bogat in specii nu are o varsta> 19 Ma (intervalele de credibilitate se intind pana la 33 si 29 Ma pentru Ceratozamia si Cycas ). Prin urmare, divergentele antice ale genurilor sunt decuplate de radiatiile recente ale grupului coroanei. Aceasta decuplare poate fi explicata prin trei ipoteze: (i) ramurile lungi reprezinta perioade cu o diversitate scazuta, (ii)ramurile lungi pot fi rezultatul perioadelor de disparitie [6,38,107,117], dar nu se stie daca acestea au fost putine si subite sau foarte prelungite sau (iii) prezenta unor linii fantome, care sunt linii care au timp si / sau lacunele geografice din registrul lor fosil (de exemplu, registrul fosenic Cenozoic al coelacantilor). Rezultatele noastre sunt in concordanta cu cea de-a doua ipoteza, deoarece aratam (i) schimbari cvasi-sincrone si independente ale diversificarii la coroana (sau aproape) a radiatiilor de gen care pot fi interpretate ca perioada de recuperare dupa un eveniment de extinctie [107,117] si ( ii)rate mari de extinctie de-a lungul ramurilor lungi ale tulpinilor genului care ar putea avea extinse linii intregi [32,33,59]. Rezultatele noastre, precum si dovezile fosile [30-33,39,40,42,114-116], sustin rolul unei extinctii in masa in modelarea cronometrului cicladelor, poate in cretaceul tarziu cand ratele de extinctie BAMM sunt crescute.

Am gasit perioade de disparitie de-a lungul ramurilor lungi ale copacului. Este important de mentionat ca aceste perioade de extinctie deduse sunt congruente cu date fosile care indica si stingeri semnificative pentru clada. Din Jurassic prin paleogen, rata de disparitie a fost ridicata pentru toate descendentele. Genurile monotipice ( Microcycas si Stangeria ) si genurile sarace din specii ( Bowenia , Dioon si Lepidozamia ) au fost afectate in special de disparitie (figura 6). Datele fosile si analizele cladistice sugereaza ca, de exemplu, linia reprezentata astazi de Stangerias-ar putea sa fi fost mai diversa in trecut [32,59,118]. Cicadele supravietuitoare s-au re-diversificat de la Miocenul mijlociu pana la cel tarziu, cand cinci linii, izolate pe diferite continente, au suferit cresteri de succes independente ale ratei de diversificare. Prin urmare, rezultatele noastre favorizeaza ipoteza unor evenimente de disparitie reduse si putine. Ca explicatii potentiale, acest model de diversificare poate fi atribuit (i) concurentei cu angiosperme (de exemplu [34,35,112,113,119]), (ii) modificari si extinctia finala a faunelor dinozaur neaviar care ar fi putut actiona ca dispersori de seminte ( pentru extinctia mezozoica) [41] si / sau (iii)schimbarile climatice globale care au dus la schimbari latitudinale ale principalelor centuri de vegetatie si la eliminarea cicloadelor din latitudinile mai mari ale Eurasiei, Americii de Nord si Patagoniei [6,110,120], poate in jurul granitei Eocen-Oligocen, care a marcat o schimbare semnificativa de la sera la clima de gheata [38121].

Discutiile cu privire la diversitatea cycadului in timp sunt partial impiedicate datorita dificultatii de a distinge frunzisul si polenul de cycad de cel al cladei Bennettitales (si filogenetic distinct) [39,42]; majoritatea curbelor de diversitate publicate anterior pentru plantele mezozoice nu separa Cycadales si Bennettitales, doua clade fiind grupate ca „cycadophytes” (de exemplu [34,39,112]). De asemenea, inregistrarea fosilelor cretacice si cenozoice ale cycad-urilor este probabil prea limitata pentru a permite intelegerea rolului extinctiei, in special in jurul granitei cretaceo-paleogene. Desi aparenta declin a post-cretaceului lor este recunoscuta, nu avem dovezi cantitative ale declinului diversitatii si nici nu stim daca diversitatea cenozoica a cycadului a ramas scazuta pana la radiatiile Neogene, sau daca a existat o diversitate substantiala timpurie pana la mijlocul cenozoicului, dar a fost afectata de extinctiile majore Pe langa faptul ca ilustreaza efectul potential al alegerii BPP in datarea moleculara bayesiana, studiul nostru reexamineaza datarea cicla