Scalable phylogenetic Gaussian process models improve the detectability of environmental signals on local extinctions for many Red List species

IF 6.3 2区环境科学与生态学 Q1 ECOLOGY

Methods in Ecology and Evolution Pub Date : 2024-02-15 DOI:10.1111/2041-210X.14291

Misako Matsuba, Keita Fukasawa, Satoshi Aoki, Munemitsu Akasaka, Fumiko Ishihama

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可扩展的系统发育高斯过程模型提高了环境信号对许多红色名录物种局部灭绝的可探测性

1 引言气候变化和土地覆被变化是物种灭绝的主要驱动因素（Di Marco 等，2018 年，2019 年；Powers & Jetz，2019 年）。当前的物种灭绝风险已经比自然界高出约 100-1000 倍（Pimm 等人，2014 年），而且生物多样性衰退的风险还在继续增加（Butchart 等人，2010 年）。保护生物学家现在面临着一项具有挑战性的任务，即通过阐明与环境因素相关的物种衰退原因并预测其未来，来降低日益增多的濒危物种的灭绝风险。然而，红色名录中的物种通常包括种群规模和分布区域极小的物种（世界自然保护联盟，2001年），这限制了对其衰退因素的识别以及对与环境变化相关的局部物种灭绝的估算（Bachman等人，2019年；世界自然保护联盟，2001年）。近年来，物种系统发育信息的可用性不断提高（Beck等人，2012年；Mouquet等人，2012年），这有可能改善对稀有物种消失因素的估算。这是因为亲缘关系密切的物种往往表型相似（Losos，2011 年），而且系统发育可能对物理环境做出类似的反应（Beck 等人，2012 年；Hernández 等人，2013 年）。特别是在宏观生态学领域，系统发生随机效应模型将物种对系统发生树上相关的内在和外在因素的特异性反应纳入其中，被认为是多物种系统的有力工具，因为这些模型可以描述系统发生相关的物种以类似方式对环境驱动因素做出反应的可能性（Ives & Helmus, 2011; Li et al.）然而，高斯过程（GPs）对进化过程的建模，如维纳过程（布朗运动）和奥恩斯坦-乌伦贝克（OU）过程，是系统发育随机效应的基本进化过程，但由于在假设多个物种时需要估计大量方差-协方差矩阵，计算量巨大，因此尚未投入实际应用（Ives，2018）。近邻高斯过程（NNGP）近似是一种用稀疏表示进行 GP 模型近似的可扩展方法（Datta et al、2016a；Tikhonov 等人，2020），近年来在空间建模领域得到了发展。NNGP 可以灵活调整遗传距离相关性的范围，因此也可以灵活调整近缘物种的范围，我们可以从近缘物种中借用信息，从而在不增加计算负担的情况下减小估计值的方差。这是因为 NNGP 使用基于点间最近邻关系的稀疏精度矩阵，以避免反向计算巨大的方差-协方差矩阵，而这是 GP 模型的计算瓶颈（Datta 等人，2016a）。本研究的目的是证明基于 NNGP 近似的系统发育随机效应模型在改进濒危物种灭绝概率估计方面的实用性，包括许多样本量较小的物种。评估中使用的数据是对日本全国 1010 个濒危维管植物类群进行全面调查的结果，记录了三个时期内的分布变化。通过将系统发育随机效应模型应用于此类时空丰富的数据，我们首次展示了利用系统发育信息建立各种濒危物种模型的优势。

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Methods in Ecology and Evolution ECOLOGY-

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4-8 weeks

期刊介绍： A British Ecological Society journal, Methods in Ecology and Evolution (MEE) promotes the development of new methods in ecology and evolution, and facilitates their dissemination and uptake by the research community. MEE brings together papers from previously disparate sub-disciplines to provide a single forum for tracking methodological developments in all areas. MEE publishes methodological papers in any area of ecology and evolution, including: -Phylogenetic analysis -Statistical methods -Conservation & management -Theoretical methods -Practical methods, including lab and field -This list is not exhaustive, and we welcome enquiries about possible submissions. Methods are defined in the widest terms and may be analytical, practical or conceptual. A primary aim of the journal is to maximise the uptake of techniques by the community. We recognise that a major stumbling block in the uptake and application of new methods is the accessibility of methods. For example, users may need computer code, example applications or demonstrations of methods.

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