[논문 리뷰] Infomap Bioregions 2 - Exploring the interplay between biogeography and evolution

Daniel Edler, Anton Holmgren외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 29.

Plant and animal studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 종 분포 네트워크에 분류계수 나무를 통합하여 링크 간의 가중치를 설정하고 조상 노드를 그 후손 종의 격자 셀에 연결함으로써 진화적 관계를 통합하는 네트워크 기반 방법인 Infomap Bioregions 2를 소개한다. 진화적 관계를 통합함으로써, 분포만을 기반으로 한 방법으로는 탐지할 수 없는 진화적으로 구별되며, 겹치고 흐릿한 공간 패턴을 반영하는 더 생물학적으로 현실적이며 강건하고 계층적으로 중첩된 생물지역을 도출한다.

ABSTRACT

Identifying and understanding the large-scale biodiversity patterns in time and space is vital for conservation and addressing fundamental ecological and evolutionary questions. Network-based methods have proven useful for simplifying and highlighting important structures in species distribution data. However, current network-based biogeography approaches cannot exploit the evolutionary information available in phylogenetic data. We introduce a method for incorporating evolutionary relationships into species occurrence networks to produce more biologically informative and robust bioregions. To keep the bipartite network structure where bioregions are grid cells indirectly connected through shared species, we incorporate the phylogenetic tree by connecting ancestral nodes to the grid cells where their descendant species occur. To incorporate the whole tree without destroying the spatial signal of narrowly distributed species or ancestral nodes, we weigh tree nodes by the geographic information they provide. For a more detailed analysis, we enable integration of the evolutionary relationships at a specific time in the tree. By sweeping through the phylogenetic tree in time, our method interpolates between finding bioregions based only on distributional data and finding spatially segregated clades, uncovering evolutionarily distinct bioregions at different time slices. We also introduce a way to segregate the connections between evolutionary branches at a selected time to enable exploration of overlapping evolutionarily distinct regions. We have implemented these methods in Infomap Bioregions, an interactive web application that makes it easy to explore the possibly hierarchical and fuzzy patterns of biodiversity on different scales in time and space.

연구 동기 및 목표

• 현재 네트워크 기반 생물지역화 방법이 진화적 관계를 忽시하고 있으며, 분류학적 배경과 관계없이 모든 종을 동일하게 취급한다는 한계를 해결하기 위해.
• 종 분류 기준의 갈등과 희박한 데이터에서의 과적합을 줄이기 위해 생물지역 탐지에 분류계수 구조를 통합하기 위해.
• 공간적으로 일관된 것 외에도 진화적으로 구별되는 생물지역을 탐지할 수 있도록 하여, 범위가 제한된 종이나 군집 특이적 패턴에 특히 유리하게 만들기 위해.
• 진화적 나무를 시간에 따라 스위핑함으로써 시간에 따라 변화하는 생물지역 패턴을 탐색하기 위해.
• 고차원 네트워크 분할을 사용하여 겹치는 생물지역과 계층적인 생물지역을 시각화함으로써, 비-exclusive이고 진화적으로 정보를 반영한 생물지역 단위를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 격자 셀과 종의 이분할 네트워크를 구축하여 링크는 종의 존재를 나타내며, 각 종의 지리적 범위에 따라 링크를 가중치를 부여함으로써 광범위하게 퍼진 종의 지배를 줄이기 위해.
• 전체 분류계수 나무를 통합하기 위해 조상 노드를 그 생존 후손 종이 존재하는 모든 격자 셀에 연결함으로써 현존 종과 조상 종의 공간 신호를 모두 유지한다.
• 조상 노드를 지리적 정보에 따라 가중치를 매김으로써, 진화적으로 유의미하지만 공간적으로 제한된 군집이 생물지역 탐지에 의미 있는 기여를 할 수 있도록 한다.
• 특정 진화적 시간점에서 분류계수 나무를 통합함으로써 시간별 분석을 가능하게 하여, 분포 기반 생물지역과 군집 기반 생물지역 사이를 보간할 수 있도록 한다.
• 선택된 시간에서 진화적 분지 내 경로를 제약하는 고차원 네트워크 분할 방법을 적용하여 겹치는, 진화적으로 구별되는 생물지역을 탐지할 수 있도록 한다.
• Infomap Bioregions 2라는 상호작용형 웹 애플리케이션을 통해 전체 파이프라인을 구현하여, 색상 코드와 투명도를 사용해 전이 영역과 강건성을 나타내는 계층적이고 흐릿하며 겹치는 생물지역을 시각화한다.

((a))

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 분류계수 관계를 종 분포 네트워크에 체계적으로 통합하여 분포 유사성 이상의 생물지역 탐지 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 진화적 역사를 통합함으로써 종 분류 기준의 갈등과 희박한 데이터에서 발생하는 편향은 어느 정도 감소하는가?
• RQ3 시간별로 분류계수 나무를 통합함으로써 진화적으로 구별되는 생물지역이 진화적 시간에 따라 변화하는가?
• RQ4 서로 다른 진화적 선구가 정의하는 겹치는 생물지역은 어떻게 공간적으로 발생하고 공존하는가? 그리고 어떻게 시각화할 수 있는가?
• RQ5 종과 조상 노드를 지리적 분포에 따라 가중치를 매김으로써 탐지된 생물지역의 강건성과 생물학적 현실성은 어떻게 영향을 받는가?

주요 결과

• 종 분포 네트워크에 전체 분류계수 나무를 통합하면, 특히 분포가 제한된 군집에 대해 더 강건하고 생물학적으로 현실적인 생물지역을 도출할 수 있다.
• 이 방법은 기존의 네트워크 기반 생물지역화에서 모듈 구조가 붕괴되는 것을 방지하기 위해 광범위하게 퍼진 종의 영향을 감소시킨다.
• 조상 노드를 지리적 정보에 따라 가중치를 매김으로써, 현존 종과 그 진화적 조상 양쪽에서 오는 공간 신호를 유지할 수 있다.
• 시간별 통합을 통해 분포 기반 생물지역과 공간적으로 분리된 군집 기반 생물지역 사이를 보간할 수 있으며, 진화적 패턴의 동적 변화를 드러낸다.
• 분할 방법을 통해 겹치는 생물지역을 탐지할 수 있으며, 예를 들어 오스트레일리아에서는 여러 진화적 선구가 서로 다른 생물지역 단위를 구성하는 데 기여한다.
• 상호작용형 웹 애플리케이션인 Infomap Bioregions 2는 계층적이고 흐릿하며 겹치는 생물지역을 성공적으로 시각화하여, 투명도와 혼합 색상으로 전이 영역을 강조한다.

((b))