Abstract Summary: Picante is a software package that provides a comprehensive set of tools for analyzing the phylogenetic and trait diversity of ecological communities. The package calculates phylogenetic diversity metrics, performs trait comparative analyses, manipulates phenotypic and phylogenetic data, and performs tests for phylogenetic signal in trait distributions, community structure and species interactions. Availability: Picante is a package for the R statistical language and environment written in R and C, released under a GPL v2 open-source license, and freely available on the web (http://picante.r-forge.r-project.org) and from CRAN (http://cran.r-project.org). Contact: skembel@uoregon.edu

The study of elevational diversity gradients dates back to the foundation of biogeography. Although elevational patterns of plant and animal diversity have been studied for centuries, such patterns have not been reported for microorganisms and remain poorly understood. Here, in an effort to assess the generality of elevational diversity patterns, we examined soil bacterial and plant diversity along an elevation gradient. To gain insight into the forces that structure these patterns, we adopted a multifaceted approach to incorporate information about the structure, diversity, and spatial turnover of montane communities in a phylogenetic context. We found that observed patterns of plant and bacterial diversity were fundamentally different. While bacterial taxon richness and phylogenetic diversity decreased monotonically from the lowest to highest elevations, plants followed a unimodal pattern, with a peak in richness and phylogenetic diversity at mid-elevations. At all elevations bacterial communities had a tendency to be phylogenetically clustered, containing closely related taxa. In contrast, plant communities did not exhibit a uniform phylogenetic structure across the gradient: they became more overdispersed with increasing elevation, containing distantly related taxa. Finally, a metric of phylogenetic beta-diversity showed that bacterial lineages were not randomly distributed, but rather exhibited significant spatial structure across the gradient, whereas plant lineages did not exhibit a significant phylogenetic signal. Quantifying the influence of sample scale in intertaxonomic comparisons remains a challenge. Nevertheless, our findings suggest that the forces structuring microorganism and macroorganism communities along elevational gradients differ.

Historical patterns of species diversity inferred from phylogenies typically contradict the direct evidence found in the fossil record. According to the fossil record, species frequently go extinct, and many clades experience periods of dramatic diversity loss. However, most analyses of molecular phylogenies fail to identify any periods of declining diversity, and they typically infer low levels of extinction. This striking inconsistency between phylogenies and fossils limits our understanding of macroevolution, and it undermines our confidence in phylogenetic inference. Here, we show that realistic extinction rates and diversity trajectories can be inferred from molecular phylogenies. To make this inference, we derive an analytic expression for the likelihood of a phylogeny that accommodates scenarios of declining diversity, time-variable rates, and incomplete sampling; we show that this likelihood expression reliably detects periods of diversity loss using simulation. We then study the cetaceans (whales, dolphins, and porpoises), a group for which standard phylogenetic inferences are strikingly inconsistent with fossil data. When the cetacean phylogeny is considered as a whole, recently radiating clades, such as the Balaneopteridae, Delphinidae, Phocoenidae, and Ziphiidae, mask the signal of extinctions. However, when isolating these groups, we infer diversity dynamics that are consistent with the fossil record. These results reconcile molecular phylogenies with fossil data, and they suggest that most extant cetaceans arose from four recent radiations, with a few additional species arising from clades that have been in decline over the last ∼10 Myr.

Abstract Species spatial turnover, or β ‐diversity, induces a decay of community similarity with geographic distance known as the distance–decay relationship. Although this relationship is central to biodiversity and biogeography, its theoretical underpinnings remain poorly understood. Here, we develop a general framework to describe how the distance–decay relationship is influenced by population aggregation and the landscape‐scale species‐abundance distribution. We utilize this general framework and data from three tropical forests to show that rare species have a weak influence on distance–decay curves, and that overall similarity and rates of decay are primarily influenced by species abundances and population aggregation respectively. We illustrate the utility of the framework by deriving an exact analytical expression of the distance–decay relationship when population aggregation is characterized by the Poisson Cluster Process. Our study provides a foundation for understanding the distance–decay relationship, and for predicting and testing patterns of beta‐diversity under competing theories in ecology.

The increase in species richness from the poles to the tropics, referred to as the latitudinal diversity gradient, is one of the most ubiquitous biodiversity patterns in the natural world. Although understanding how rates of speciation and extinction vary with latitude is central to explaining this pattern, such analyses have been impeded by the difficulty of estimating diversification rates associated with specific geographic locations. Here, we use a powerful phylogenetic approach and a nearly complete phylogeny of mammals to estimate speciation, extinction, and dispersal rates associated with the tropical and temperate biomes. Overall, speciation rates are higher, and extinction rates lower, in the tropics than in temperate regions. The diversity of the eight most species-rich mammalian orders (covering 92% of all mammals) peaks in the tropics, except that of the Lagomorpha (hares, rabbits, and pikas) reaching a maxima in northern-temperate regions. Latitudinal patterns in diversification rates are strikingly consistent with these diversity patterns, with peaks in species richness associated with low extinction rates (Primates and Lagomorpha), high speciation rates (Diprotodontia, Artiodactyla, and Soricomorpha), or both (Chiroptera and Rodentia). Rates of range expansion were typically higher from the tropics to the temperate regions than in the other direction, supporting the "out of the tropics" hypothesis whereby species originate in the tropics and disperse into higher latitudes. Overall, these results suggest that differences in diversification rates have played a major role in shaping the modern latitudinal diversity gradient in mammals, and illustrate the usefulness of recently developed phylogenetic approaches for understanding this famous yet mysterious pattern.

Summary A number of approaches for studying macroevolution using phylogenetic trees have been developed in the last few years. Here, we present RPANDA , an R package that implements model‐free and model‐based phylogenetic comparative methods for macroevolutionary analyses. The model‐free approaches implemented in RPANDA are recently developed approaches stemming from graph theory that allow summarizing the information contained in phylogenetic trees, computing distances between trees, and clustering them accordingly. They also allow identifying distinct branching patterns within single trees. RPANDA also implements likelihood‐based models for fitting various diversification models to phylogenetic trees. It includes birth–death models with i) constant, ii) time‐dependent and iii) environmental‐dependent speciation and extinction rates. It also includes models with equilibrium diversity derived from the coalescent process, as well as a likelihood‐based inference framework to fit the individual‐based model of Speciation by Genetic Differentiation, which is an extension of Hubbell's neutral theory of biodiversity. RPANDA can be used to (i) characterize trees by plotting their spectral density profiles (ii) compare trees and cluster them according to their similarities, (iii) identify and plot distinct branching patterns within trees, (iv) compare the fit of alternative diversification models to phylogenetic trees, (v) estimate rates of speciation and extinction, (vi) estimate and plot how these rates have varied with time and environmental variables and (vii) deduce and plot estimates of species richness through geological time. RPANDA provides investigators with a set of tools for exploring patterns in phylogenetic trees and fitting various models to these trees, thereby contributing to the ongoing development of phylogenetics in the life sciences.

Summary In a rapidly changing world, ecology has the potential to move from empirical and conceptual stages to application and management issues. It is now possible to make large‐scale predictions up to continental or global scales, ranging from the future distribution of biological diversity to changes in ecosystem functioning and services. With these recent developments, ecology has a historical opportunity to become a major actor in the development of a sustainable human society. With this opportunity, however, also comes an important responsibility in developing appropriate predictive models, correctly interpreting their outcomes and communicating their limitations. There is also a danger that predictions grow faster than our understanding of ecological systems, resulting in a gap between the scientists generating the predictions and stakeholders using them (conservation biologists, environmental managers, journalists, policymakers). Here, we use the context provided by the current surge of ecological predictions on the future of biodiversity to clarify what prediction means, and to pinpoint the challenges that should be addressed in order to improve predictive ecological models and the way they are understood and used. Synthesis and applications . Ecologists face several challenges to ensure the healthy development of an operational predictive ecological science: (i) clarity on the distinction between explanatory and anticipatory predictions; (ii) developing new theories at the interface between explanatory and anticipatory predictions; (iii) open data to test and validate predictions; (iv) making predictions operational; and (v) developing a genuine ethics of prediction.

Predicting how biodiversity will be affected and will respond to human-induced environmental changes is one of the most critical challenges facing ecologists today. Here, we put current environmental changes and their effects on biodiversity in a macroevolutionary perspective. We build on research in palaeontology and recent developments in phylogenetic approaches to ask how macroevolution can help us understand how environmental changes have affected biodiversity in the past, and how they will affect biodiversity in the future. More and more paleontological and phylogenetic data are accumulated, and we argue that much of the potential these data have for understanding environmental changes remains to be explored.

Bayesian relaxed-clock dating has significantly influenced our understanding of the timeline of biotic evolution. This approach requires the use of priors on the branching process, yet little is known about their impact on divergence time estimates. We investigated the effect of branching priors using the iconic cycads. We conducted phylogenetic estimations for 237 cycad species using three genes and two calibration strategies incorporating up to six fossil constraints to (i) test the impact of two different branching process priors on age estimates, (ii) assess which branching prior better fits the data, (iii) investigate branching prior impacts on diversification analyses, and (iv) provide insights into the diversification history of cycads.Using Bayes factors, we compared divergence time estimates and the inferred dynamics of diversification when using Yule versus birth-death priors. Bayes factors were calculated with marginal likelihood estimated with stepping-stone sampling. We found striking differences in age estimates and diversification dynamics depending on prior choice. Dating with the Yule prior suggested that extant cycad genera diversified in the Paleogene and with two diversification rate shifts. In contrast, dating with the birth-death prior yielded Neogene diversifications, and four rate shifts, one for each of the four richest genera. Nonetheless, dating with the two priors provided similar age estimates for the divergence of cycads from Ginkgo (Carboniferous) and their crown age (Permian). Of these, Bayes factors clearly supported the birth-death prior.These results suggest the choice of the branching process prior can have a drastic influence on our understanding of evolutionary radiations. Therefore, all dating analyses must involve a model selection process using Bayes factors to select between a Yule or birth-death prior, in particular on ancient clades with a potential pattern of high extinction. We also provide new insights into the history of cycad diversification because we found (i) periods of extinction along the long branches of the genera consistent with fossil data, and (ii) high diversification rates within the Miocene genus radiations.

A bstract Whether interactions between species are conserved on evolutionary time-scales has spurred the development of both correlative and process-based approaches for testing phylogenetic signal in interspecific interactions: do closely related species interact with similar partners? Here we use simulations to test the statistical performances of the two approaches that are the most widely used in the field: Mantel tests and the Phylogenetic Bipartite Linear Model (PBLM). Mantel tests investigate the correlation between phylogenetic distances and dissimilarities in sets of interacting partners, while PBLM is a process-based approach that relies on strong assumptions about how interactions evolve. We find that PBLM often detects a phylogenetic signal when it should not. Simple Mantel tests instead have infrequent false positives and moderate statistical power; however, they often artifactually detect that closely related species interact with dissimilar partners. Partial Mantel tests, which are used to partial out the phylogenetic signal in the number of partners, actually fail at correcting for this confounding effect, and we instead recommend evaluating the significance of Mantel tests with network permutations constraining the number of partners. We also explore the ability of simple Mantel tests to analyze clade-specific phylogenetic signals. We provide general guidelines and an application on an interaction network between orchids and mycorrhizal fungi.