At this time, no abstract is available. SciVerse Scopus has content delivery agreements in place with each publisher and currently contains 30 million records with an abstract. An abstract may not be present due to incomplete data, as supplied by the publisher, or is still in the process of being indexed.

• Plants have utterly transformed the planet, but testing hypotheses of causality requires a reliable time-scale for plant evolution. While clock methods have been extensively developed, less attention has been paid to the correct interpretation and appropriate implementation of fossil data. • We constructed 17 calibrations, consisting of minimum constraints and soft maximum constraints, for divergences between model representatives of the major land plant lineages. Using a data set of seven plastid genes, we performed a cross-validation analysis to determine the consistency of the calibrations. Six molecular clock analyses were then conducted, one with the original calibrations, and others exploring the impact on divergence estimates of changing maxima at basal nodes, and prior probability densities within calibrations. • Cross-validation highlighted Tracheophyta and Euphyllophyta calibrations as inconsistent, either because their soft maxima were overly conservative or because of undetected rate variation. Molecular clock analyses yielded estimates ranging from 568-815 million yr before present (Ma) for crown embryophytes and from 175-240 Ma for crown angiosperms. • We reject both a post-Jurassic origin of angiosperms and a post-Cambrian origin of land plants. Our analyses also suggest that the establishment of the major embryophyte lineages occurred at a much slower tempo than suggested in most previous studies. These conclusions are entirely compatible with current palaeobotanical data, although not necessarily with their interpretation by palaeobotanists.

Calibration is a critical step in every molecular clock analysis but it has been the least considered. Bayesian approaches to divergence time estimation make it possible to incorporate the uncertainty in the degree to which fossil evidence approximates the true time of divergence. We explored the impact of different approaches in expressing this relationship, using arthropod phylogeny as an example for which we established novel calibrations. We demonstrate that the parameters distinguishing calibration densities have a major impact upon the prior and posterior of the divergence times, and it is critically important that users evaluate the joint prior distribution of divergence times used by their dating programmes. We illustrate a procedure for deriving calibration densities in Bayesian divergence dating through the use of soft maximum constraints.

Calibration is the rate-determining step in every molecular clock analysis and, hence, considerable effort has been expended in the development of approaches to distinguish good from bad calibrations. These can be categorized into a priori evaluation of the intrinsic fossil evidence, and a posteriori evaluation of congruence through cross-validation. We contrasted these competing approaches and explored the impact of different interpretations of the fossil evidence upon Bayesian divergence time estimation. The results demonstrate that a posteriori approaches can lead to the selection of erroneous calibrations. Bayesian posterior estimates are also shown to be extremely sensitive to the probabilistic interpretation of temporal constraints. Furthermore, the effective time priors implemented within an analysis differ for individual calibrations when employed alone and in differing combination with others. This compromises the implicit assumption of all calibration consistency methods, that the impact of an individual calibration is the same when used alone or in unison with others. Thus, the most effective means of establishing the quality of fossil-based calibrations is through a priori evaluation of the intrinsic palaeontological, stratigraphic, geochronological and phylogenetic data. However, effort expended in establishing calibrations will not be rewarded unless they are implemented faithfully in divergence time analyses.

ABSTRACT The role of time (i.e. taxa ages) in phylogeny has been a source of intense debate within palaeontology for decades and has not yet been resolved fully. The fossilised birth-death range process is a model that explicitly accounts for information about species through time. It presents a fresh opportunity to examine the role of stratigraphic data in phylogenetic inference of fossil taxa. Here, we apply this model in a Bayesian framework to an exemplar dataset of well-dated conodonts from the Late Devonian. We compare the results to those obtained using traditional unconstrained tree inference. We show that the combined analysis of morphology and stratigraphic data under the FBD range process reduces overall phylogenetic uncertainty, compared to unconstrained tree inference. We find that previous phylogenetic hypotheses based on parsimony and stratophenetics are closer to trees generated under the FBD range process. However, the results also highlight that irrespective of the inclusion of age data, a large amount of topological uncertainty will remain. Bayesian inference provides the most intuitive way to represent the uncertainty inherent in fossil datasets and new flexible models increase opportunities to refine hypotheses in palaeobiology.

Abstract Phylodynamic models generally aim at jointly inferring phylogenetic relationships, model parameters, and more recently, population size through time for clades of interest, based on molecular sequence data. In the fields of epidemiology and macroevolution these models can be used to estimate, respectively, the past number of infected individuals (prevalence) or the past number of species (paleodiversity) through time. Recent years have seen the development of “total-evidence” analyses, which combine molecular and morphological data from extant and past sampled individuals in a unified Bayesian inference framework. Even sampled individuals characterized only by their sampling time, i.e. lacking morphological and molecular data, which we call occurrences , provide invaluable information to reconstruct past population sizes. Here, we present new methodological developments around the Fossilized Birth-Death Process enabling us to (i) efficiently incorporate occurrence data while remaining computationally tractable and scalable; (ii) consider piecewise-constant birth, death and sampling rates; and (iii) reconstruct past population sizes, with or without knowledge of the underlying tree. We implement our method in the RevBayes software environment, enabling its use along with a large set of models of molecular and morphological evolution, and validate the inference workflow using simulations under a wide range of conditions. We finally illustrate our new implementation using two empirical datasets stemming from the fields of epidemiology and macroevolution. In epidemiology, we apply our model to the Covid-19 outbreak on the Diamond Princess ship. We infer the total prevalence throughout the outbreak, by taking into account jointly the case count record (occurrences) along with viral sequences for a fraction of infected individuals. In macroevolution, we present an empirical case study of cetaceans. We infer the diversity trajectory using molecular and morphological data from extant taxa, morphological data from fossils, as well as numerous fossil occurrences. Our case studies highlight that the advances we present allow us to further bridge the gap between between epidemiology and pathogen genomics, as well as paleontology and molecular phylogenetics.

1 Abstract The fossilized birth-death (FBD) process provides an ideal model for inferring phylogenies from both extant and fossil taxa. Using this approach, fossils (with or without character data) are directly considered as part of the tree. This leads to a statistically coherent prior on divergence times, where the variance associated with node ages reflects uncertainty in the placement of fossil taxa in the phylogeny. Since fossils are typically not associated with molecular sequences, additional information is required to place fossils in the tree. Previously, this information has been provided in two different forms: using topological constraints, where the user specifies monophyletic clades based on established taxonomy, or so-called total-evidence analyses, which use a morphological data matrix with data for both fossil and extant specimens in addition to the molecular alignment. In this work, we use simulations to evaluate these different approaches to handling fossil placement in FBD analyses, both in ideal conditions and in datasets including uncertainty or even errors. We also explore how rate variation in fossil recovery or diversification rates impacts these approaches. We find that the extant topology is well recovered under all methods of fossil placement. Divergence times are similarly well recovered across all methods, with the exception of constraints which contain errors. These results are consistent with expectations: in FBD inferences, divergence times are mostly informed by fossil ages, so variations in the position of fossils strongly impact these estimates. On the other hand, the placement of extant taxa in the phylogeny is driven primarily by the molecular alignment. We see similar patterns in datasets which include rate variation, however one notable difference is that relative errors in extant divergence times increase when more variation is included in the dataset, for all approaches using topological constraints, and particularly for constraints with errors. Finally, we show that trees recovered under the FBD model are more accurate than those estimated using non-FBD (i.e., non-time calibrated) inference. This result holds even with the use of erroneous fossil constraints and model misspecification under the FBD. Overall, our results underscore the importance of core taxonomic research, including morphological data collection and species descriptions, irrespective of the approach to handling phylogenetic uncertainty using the FBD process.

1 Abstract Reconstructing the evolutionary history of different groups of organisms provides insight into how life originated and diversified on Earth. Phylogenetic trees are commonly used to estimate this evolutionary history, providing a hypothesis of the events. Within Bayesian phylogenetics a major step in estimating a tree is in choosing an appropriate model of character evolution. In the case of most extinct species, our only source of information to decipher their phylogenetic relationships is through the morphology of fossils. We therefore use a model of morphological character evolution, the most common of which being the Mk Lewis model. While it is frequently used in palaeobiology, it is not known whether the simple Mk substitution model, or any extensions to it, provide a sufficiently good description of the process of morphological evolution. To determine whether or not the Mk model is appropriate for fossil data we used posterior predictive simulations, a model adequacy approach, to estimate absolute fit of the model to morphological data sets. We first investigate the impact that different versions of the Mk model have on key parameter estimates using tetrapod data sets. We show that choice of substitution model has an impact on both topology and branch lengths, highlighting the importance of model choice. Next, we use simulations to investigate the power of posterior predictive simulations for morphology. Having validated this approach we show that current variations of the Mk model are in fact performing adequately in capturing the evolutionary dynamics that generated our data. We do not find any preference for a particular model extension across multiple data sets, indicating that there is no ‘one size fits all’ when it comes to morphological data and that careful consideration should be given to choosing models of discrete character evolution. By using suitable models of character evolution, we can increase our confidence in our phylogenetic estimates, which should in turn allow us to gain more accurate insights into the evolutionary history of both extinct and extant taxa.

Phylogenetic models are commonly used in palaeobiology to study the patterns and processes of organismal evolution. In the human sciences, phylogenetic methods have been deployed for reconstructing ancestor-descendant relationships using linguistic and material culture data. Within evolutionary archaeology specifically, phylogenetic analyses based on maximum parsimony and discrete traits dominate, which sets limitations for the downstream role cultural phylogenies, once derived, can play in more elaborate analytical pipelines. Recent methodological advances in Bayesian phylogenetics, however, now allow us to infer evolutionary dynamics using continuous characters. Capitalizing on these developments, we here present an exploratory analysis of cultural macroevolution of projectile point shape evolution in the European Final Palaeolithic and earliest Mesolithic (approx. 15 000-11 000 BP) using a Bayesian phylodynamic approach and the fossilized birth-death process model. This model-based approach leaps far beyond the application of parsimony, in that it not only produces a tree, but also divergence times, and diversification rates while incorporating uncertainties. This allows us to compare rates to the pronounced climatic changes that occurred during our time frame. While common in cultural evolutionary analyses of language, the extension of Bayesian phylodynamic models to archaeology arguably represents a major methodological breakthrough.

Abstract A mass extinction at the end of the Devonian is thought to have had a major influence on the evolution of actinopterygians (ray-finned fishes), which comprise half of living vertebrates. This extinction appears to have acted as a bottleneck, paring the early diversity of the group to a handful of survivors. Coupled with increases in taxonomic and morphological diversity in the Carboniferous, this contributes to a model of explosive post-extinction radiation. However, most actinopterygians from within a ~20-million-year (Myr) window surrounding the extinction remain poorly known, contributing to uncertainty about these patterns. An exceptionally preserved fossil of a diminutive fish from 7 Myr before the extinction reveals unexpected anatomical features that suggest a very different story. This new fossil nests within a clade of post-Devonian species and, in an expanded phylogenetic analysis, draws multiple lineages of Carboniferous actinopterygians into the Devonian. This suggests cryptic but extensive lineage diversification in the latest Devonian, followed by more conspicuous feeding and locomotor structure diversification in the Carboniferous. Our revised model matches more complex patterns of divergence, survival, and diversification around the Devonian-Carboniferous boundary in other vertebrate clades. It also fundamentally recalibrates the onset of diversification early in the history of this major radiation.