[논문 리뷰] No substitute for real data: phylogenies from birth-death polytomy resolvers should not be used for many downstream comparative analyses

Daniel L. Rabosky|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 17.

Evolution and Paleontology Studies참고 문헌 27인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 유전적 데이터가 없는 경우 계통발생수를 생성하기 위해 출생-사망 다형성 해소 방법(계통분류학적 정보만을 사용하여 미표본화된 종을 나무에 삽입하는 방법)을 사용할 경우, 특성 기반 비교 분석에 있어 근본적인 결함이 있음을 입증한다. 이러한 방법들은 특성 값과 관계없이 종을 무작위로 배치함으로써 진정한 계통발생 신호를 왜곡시키며, 형질 진화, 지리학, 사회집단 형성과 같은 연구에서 체계적인 편향을 초래한다.

ABSTRACT

The statistical estimation of phylogenies is always associated with uncertainty, and accommodating this uncertainty is an important component of modern phylogenetic comparative analysis. The birth-death polytomy resolver is a method of accounting for phylogenetic uncertainty that places missing (unsampled) taxa onto phylogenetic trees, using taxonomic information alone. Recent studies of birds and mammals have used this approach to generate pseudo-posterior distributions of phylogenetic trees that are complete at the species level, even in the absence of genetic data for many species. Many researchers have used these distributions of phylogenies for downstream evolutionary analyses that involve inferences on phenotypic evolution, geography, and community assembly. I demonstrate that the use of phylogenies constructed in this fashion is inappropriate for many questions involving traits. Because species are placed on trees at random with respect to trait values, the birth-death polytomy resolver breaks down natural patterns of trait phylogenetic structure. Inferences based on these trees are predictably and often drastically biased in a direction that depends on the underlying (true) pattern of phylogenetic structure in traits. I illustrate the severity of the phenomenon for both continuous and discrete traits using examples from a global bird phylogeny.

연구 동기 및 목표

• 유전적 데이터가 부족한 상황에서 출생-사망 다형성 해소 방법을 사용하여 종 수준의 계통발생수를 생성하는 것이 타당한지 평가하기 위해.
• 이러한 방법이 특성 진화 분석에서 계통발생 신호를 어떻게 왜곡하는지 규명하기 위해.
• 미표본화된 종을 무작위로 배치함으로써 계통발생수 내에서 특성 구조의 자연스러운 패턴이 파괴됨을 입증하기 위해.
• 형질 진화, 지리학, 사회집단 형성과 관련된 추론에 있어 이러한 가짜 사후 분포 계통발생수에 의존하는 것을 경고하기 위해.
• 특성 진화 및 관련 진화 과정을 평가할 때 실제 데이터를 사용하는 것이 합성 계통발생수보다 바람직하다고 주장하기 위해.

제안 방법

• 연구는 유전적 데이터가 없는 상황에서 출생-사망 다형성 해소 방법을 사용하여 종을 해소한 계통발생수를 시뮬레이션하기 위해 세계적 범위의 조류 계통발생수를 기준으로 삼는다.
• 유전적 또는 형질 데이터를 사용하지 않고 계통분류학적 정보만을 활용하여 미표본화된 종을 나무에 삽입한다.
• 유전적 데이터가 없더라도 종 수준의 완전한 계통발생수에 대한 가짜 사후 분포를 생성한다.
• 실제 및 해소된 나무에서 연속형 및 이산형 형질의 계통발생 신호를 표준 비교 방법을 사용하여 평가한다.
• 실제 계통발생수와 합성 계통발생수 간의 형질 구조와 추론 정확도를 비교하여 체계적 편향을 탐지한다.
• 시뮬레이션과 조류의 실제 데이터를 사용하여 무작위 종 배치가 계통발생 신호에 미치는 영향을 설명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 출생-사망 다형성 해소 방법은 종 수준의 계통발생수에서 진정한 형질의 계통발생적 구조를 어느 정도 유지하는가?
• RQ2 미표본화된 종을 무작위로 배치하는 것은 비교 분석에서 형질 진화에 대한 추론에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 합성 계통발생수는 지리학 및 사회집단 형성 연구에서 진화 추론의 정확성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 계통분류학적으로 해소된 계통발생수는 체계적 편향을 유발하지 않고 실제 유전적 계통발생수의 대체로 사용될 수 있는가?
• RQ5 왜 출생-사망 다형성 해소 방법은 종 간 특성 상관관계의 자연스러운 패턴을 유지하지 못하는가?

주요 결과

• 출생-사망 다형성 해소 방법으로 생성된 계통발생수들은 특성 값과 관계없이 종을 무작위로 배치함으로써 특성 기반 비교 분석에 체계적 편향을 유발한다.
• 이 방법은 연속형 및 이산형 형질 양쪽에서 자연스러운 계통발생 신호를 파괴하여 진화 패턴에 대한 왜곡된 추론을 초래한다.
• 이러한 합성 나무를 기반으로 한 추론은 진정한 형질의 계통발생적 구조에 따라 방향성이 있는 예측 가능한 편향을 보인다.
• 다수의 재표본화된 나무를 사용하더라도 편향은 지속되며 통계적 평균화로는 줄어들지 않는다.
• 형질 진화, 생물지리학, 사회집단 형성 연구에 이러한 계통발생수를 사용할 경우 신뢰할 수 없고 오해의 소지가 있는 결론을 초래할 수 있다.
• 연구는 이러한 합성 계통발생수가 특성 진화와 관련된 분석에서 실제 데이터의 대체로 사용되어서는 안 된다고 결론 내린다.