Abstract Broad-scale quantitative assessments of biodiversity and the factors shaping it remain particularly poorly explored in insects. Here, we undertook a spatial phylogenetic analysis of North American butterflies via assembly of a time-calibrated phylogeny of the region coupled with a unique, complete range assessment for ~75% of the known species. We utilized a suite of phylodiversity metrics and associated environmental data to test whether climate stability and temperature gradients have shaped North American butterfly phylogenetic diversity and endemism. We also undertook the first direct, quantitative comparisons of spatial phylogenetic patterns between butterflies and flowering plants in North America. We expected concordance between butterflies and angiosperms based on both shared historical environmental drivers and presumed strong butterfly-host plant specializations. We instead found that biodiversity patterns in butterflies are strikingly different from flowering plants in some regions of the continent. In particular, the warm desert regions of the southwestern United States and Mexico showed surprisingly high butterfly phylogenetic diversity and endemism, in contrast to much lower values for angiosperms. Butterflies did not show patterns of phylogenetic clustering as found in flowering plants, suggesting differences in habitat conservation between the two groups. Finally, we found weak relationships and spatially structured biases in relative branching timing between angiosperms and butterflies. These results suggest that shared biogeographic histories and trophic associations do not necessarily assure similar diversity outcomes. The work has applied value in conservation planning, documenting warm deserts as an important North American butterfly biodiversity hotspot.

Abstract Astragalus (Fabaceae), with more than 3,000 species, represents a successful radiation of morphologically highly similar species found across the Northern Hemisphere. It has attracted attention from systematists and biogeographers, who have asked what factors might be behind the extraordinary diversity of this important arid-adapted clade and what sets it apart from close relatives with far less species richness. Here, for the first time using extensive taxonomic sampling in a phylogenetic analysis, we ask whether (1) Astragalus is uniquely characterized by bursts of radiation or is instead similar to related taxa. Then we test whether the species diversity of Astragalus is attributable specifically to its predilection for (2) cold and arid habitats or (3) particular soils. Finally, we test (4) whether Astragalus originated in central Asia as proposed and (5) whether niche evolutionary shifts were associated with the colonization of other continents. Our results point to the importance of heterogeneity in the diversification of Astragalus , with upshifts associated with the earliest divergences but attributable to no abiotic factor or biogeographic regionalization tested here. The only potential correlate with diversification we identified was chromosome number. We find strong evidence for a central Asian origin and direct dispersals from this region responsible for much of the present-day distribution, highlighting the importance of central Asia as a biogeographic gateway. In contrast to diversification shifts, biogeographic shifts have a strong association with the abiotic environment. Our most important result was a fundamental divide in soil types and diurnal temperature variation between the Eastern and Western Hemisphere species; this divergence does not reflect differences in available habitat among these biogeographic domains but may reflect unique local gains of edaphic and abiotic stress adaptations. While large clades are logistically difficult to tackle, our investigation shows the importance of phylogenetic and evolutionary studies of “mega-radiations.” Our findings reject any simple key innovation behind the dominance and richness of Astragalus and underline the often nuanced, multifactorial processes leading to species-rich clades.

Abstract Aggregate biodiversity data from museum specimens and community observations have promise for macroscale ecological analyses. Despite this, many groups are under-sampled, and sampling is not homogeneous across space. Here we used butterflies, the best documented group of insects, to examine inventory completeness across North America. We separated digitally accessible butterfly records into those from natural history collections and burgeoning community science observations to determine if these data sources have differential spatio-taxonomic biases. When we combined all data, we found startling under-sampling in regions with the most dramatic trajectories of climate change and across biomes. We also found support for the hypothesis that community science observations are filling more gaps in sampling but are more biased towards areas with the highest human footprint. Finally, we found that both types of occurrences have familial-level taxonomic completeness biases, in contrast to the hypothesis of less taxonomic bias in natural history collections data. These results suggest that higher inventory completeness, driven by rapid growth of community science observations, is partially offset by higher spatio-taxonomic biases. We use the findings here to provide recommendations on how to alleviate some of these gaps in the context of prioritizing global change research.

Broad-scale plant flowering phenology data has predominantly come from geographically and taxonomically restricted monitoring networks. However, platforms such as iNaturalist, where citizen scientists upload photographs and curate identifications, provide a promising new source of data. Here we develop a general set of best practices for scoring iNaturalist digital records supporting downstream re-use in phenology studies. We focus on a case study group, Yucca, because it has showy flowers and is well documented on iNaturalist. Additionally, drivers of Yucca phenology are not well-understood despite need for Yucca to synchronize flowering with obligate moth pollinators. Finally, evidence of anomalous flowering events have been recently reported, but the extent of those events is unknown. We use best-practices approach to annotate nearly 9,000 Yucca iNaturalist records, and compare the spatiotemporal coverage of this dataset with other broad-scale monitoring resources. Our findings demonstrate that iNaturalist provides unique phenology information, including delineation of extents of unusual flowering events. We also determine if unusual early flowering events impact later, typical flowering periods. Finally, we adapt a plant phenology global knowledge-store to integrate iNaturalist annotation results, supporting broadest reuse. Our approach has application to other plant groups, leveraging rapidly increasing data resources from iNaturalist to study phenology.

Aim Quantifying the phylogenetic diversity of temperate trees is essential for understanding what processes are implicated in shaping the modern distribution of temperate broadleaf forest and other major forest biomes. Here we focus on Fagales, an iconic member of forests worldwide, to uncover global diversity and endemism patterns and investigate potential drivers responsible for the spatial distribution of fagalean forest communities. Location Global. Taxon Fagales. Methods We combined phylogenetic data covering 60.2% of living species, fine-scale distribution models covering 90% of species, and nodulation data covering all species to investigate the distribution of species richness at fine spatial scales and compare this to relative phylogenetic diversity (RPD) and phylogenetic endemism. Further, we quantify phylogenetic betadiversity and bioregionalization of Fagales and determine hotspots of Fagales species engaging in root nodule symbiosis (RNS) with nitrogen-fixing actinomycetes. Results We find the highest richness in temperate east Asia, eastern North America, and equatorial montane regions of Asia and Central America. By contrast, RPD is highest at higher latitudes, where RNS also predominates. We found a strong spatial structuring of regionalizations of Fagales floras as defined by phylogeny and traits related to RNS, reflecting distinct Northern and Southern Hemisphere floras (with the exception of a unique Afro-Boreal region) and highly distinct tropical montane communities. Main conclusions Species richness and phylogenetic regionalization accord well with traditional biogeographic concepts for temperate forests, but RPD does not. This may reflect ecological filtering specific to Fagales, as RNS strategies are almost universal in the highest RPD regions. Our results highlight the importance of global-scale, clade-specific spatial phylogenetics and its utility for understanding the history behind temperate forest diversity.

Recent work has shown the decline of insect abundance, diversity, and biomass, with potential implications for ecosystem services. These declines are especially pronounced in regions with high human activity, and urbanization is emerging as a significant contributing factor. However, the scale of these declines and the traits that determine variation in species-specific responses remain less well understood, especially in subtropical and tropical regions, where insect diversity is high and urban footprints are rapidly expanding. Here, we surveyed moths across an entire year in protected forested sites across an urbanization gradient to test how caterpillar and adult life stages of subtropical moths (Lepidoptera) are impacted by urbanization. Specifically, we assess how urban development affects the total abundance of caterpillars and adult moths and quantify how richness and phylogenetic diversity of macro-moths are impacted by urban development. Additionally, we determine the effects of urban warming on species-specific adult macro-moth abundance while accounting for urban development and explore how life-history traits condition species-specific responses to urban stressors. At the community level, we find that urban development decreases caterpillar biomass and adult moth abundance. We also find sharp declines of adults in response to urban development across the moth phylogeny, leading to a decrease in species richness and phylogenetic diversity in more urban sites. Finally, our study found that smaller macro-moths are less impacted by urban development than larger macro-moths in subtropical environments, perhaps highlighting the tradeoffs of metabolic costs of urban heat island effects favoring smaller moths over the relative benefits of dispersal for larger moths. In summary, our research underscores the far-reaching consequences of urbanization on moths and provides compelling evidence that urban forests alone may not be sufficient to safeguard biodiversity in cities.

Aim: Here we determine centers of species richness (SR), relative phylogenetic diversity (RPD) and centers of paleo- and neo-endemism, and regionalizations of phylogenetic diversity in the mimosoid clade of the legumes to understand the distribution and environmental associates of mimosoids lacking RNS (root nodule symbiosis). Location: Global. Time period: Present. Major taxa studied: Mimosoid legumes. Methods: We built a phylogenetic tree of 1313 species and high-quality species distribution models for 1128 species representing the phylogenetic breadth of the mimosoid clade to identify the geographic distribution of RNS. Centers of significant RPD and endemism were identified using a randomization approach, the latter using CANAPE. Phylogenetic regionalization used a distance-based phylogenetic beta-diversity approach. Results: We recognized nine areas of contiguous high SR as distinct SR hotspots. Non- RNS species occur mainly outside hotspots but are closely correlated with high RPD. Absence of RNS was best predicted by high precipitation, and represents multiple independent phylogenetic assemblages in different biogeographic areas. Main conclusions: SR hotspots are partly incongruent with centers of RPD and phylogenetic endemism. Lineages lacking RNS are distributed in SR hotspots in Africa and the Americas, belong to biogeographically separate species assemblages, and are, in most cases, associated with relatively moist tropical environments with low temperature seasonality and high available soil nitrogen.

Astragalus (Fabaceae) is astoundingly diverse in temperate, cold arid regions of Earth, positioning this group as a model clade for investigating the distribution of plant diversity in the face of climatic challenge. Here we identify the spatial distribution of diversity and endemism in Astragalus, using species distribution models for 752 species and a phylogenetic tree comprising 847 species. We integrated these to map centers of species richness (SR) and relative phylogenetic diversity (RPD), and used grid cell randomizations to investigate centers of endemism. We also used clustering methods to identify phylogenetic regionalizations. We then assembled predictor variables of current climate conditions to test environmental factors predicting these phylogenetic diversity results, especially temperature and precipitation seasonality. We find that SR centers are distributed globally at temperate middle latitudes in arid regions, but the Mediterranean Basin is the most important center of RPD. Endemism centers also occur globally, but Iran represents a key endemic area with a concentration of both paleo- and neoendemism. Phylogenetic regionalization recovered an east-west gradient in Eurasia and an amphitropical disjunction across North and South America; American phyloregions are overall most closely related to east and central Asia. SR, RPD, and lineage turnover are driven mostly by precipitation and seasonality, but endemism is driven primarily by diurnal temperature variation. Endemism and regionalization results point to western Asia and especially Iran as a biogeographic gateway between Europe and Asia. RPD and endemism highlight the importance of temperature and drought stress in determining plant diversity and endemism centers.