In historical biogeography, model-based inference methods for reconstructing the evolution of geographic ranges on phylogenetic trees are poorly developed relative to the diversity of analogous methods available for inferring character evolution. We attempt to rectify this deficiency by constructing a dispersal-extinction-cladogenesis (DEC) model for geographic range evolution that specifies instantaneous transition rates between discrete states (ranges) along phylogenetic branches and apply it to estimating likelihoods of ancestral states (range inheritance scenarios) at cladogenesis events. Unlike an earlier version of this approach, the present model allows for an analytical solution to probabilities of range transitions as a function of time, enabling free parameters in the model, rates of dispersal, and local extinction to be estimated by maximum likelihood. Simulation results indicate that accurate parameter estimates may be difficult to obtain in practice but also show that ancestral range inheritance scenarios nevertheless can be correctly recovered with high success if rates of range evolution are low relative to the rate of cladogenesis. We apply the DEC model to a previously published, exemplary case study of island biogeography involving Hawaiian endemic angiosperms in Psychotria (Rubiaceae), showing how the DEC model can be iteratively refined from inspecting inferences of range evolution and also how geological constraints involving times of island origin may be imposed on the likelihood function. The DEC model is sufficiently similar to character models that it might serve as a gateway through which many existing comparative methods for characters could be imported into the realm of historical biogeography; moreover, it might also inspire the conceptual expansion of character models toward inclusion of evolutionary change as directly coincident, either as cause or consequence, with cladogenesis events. The DEC model is thus an incremental advance that highlights considerable potential in the nascent field of model-based historical biogeographic inference.

This large comparative phylogenetic study across angiosperms shows that species that are herbaceous or have small conduits evolved these traits before colonizing environments with freezing conditions, whereas deciduous species changed their climate niche before becoming deciduous. The earliest flowering plants or angiosperms were probably woody evergreen trees in warm tropical environments. If they were to colonize environments that experience freezing conditions, one of several changes was required. They needed either to become deciduous, to become herbaceous, or to reduce the size of their water conduits. Amy Zanne et al. present a large phylogeographic study of 49,000 angiosperms which shows that species that are herbaceous and/or have small conduits evolved these traits before colonizing freezing conditions, whereas deciduous species changed their climate niche before becoming deciduous. Early flowering plants are thought to have been woody species restricted to warm habitats1,2,3. This lineage has since radiated into almost every climate, with manifold growth forms4. As angiosperms spread and climate changed, they evolved mechanisms to cope with episodic freezing. To explore the evolution of traits underpinning the ability to persist in freezing conditions, we assembled a large species-level database of growth habit (woody or herbaceous; 49,064 species), as well as leaf phenology (evergreen or deciduous), diameter of hydraulic conduits (that is, xylem vessels and tracheids) and climate occupancies (exposure to freezing). To model the evolution of species’ traits and climate occupancies, we combined these data with an unparalleled dated molecular phylogeny (32,223 species) for land plants. Here we show that woody clades successfully moved into freezing-prone environments by either possessing transport networks of small safe conduits5 and/or shutting down hydraulic function by dropping leaves during freezing. Herbaceous species largely avoided freezing periods by senescing cheaply constructed aboveground tissue. Growth habit has long been considered labile6, but we find that growth habit was less labile than climate occupancy. Additionally, freezing environments were largely filled by lineages that had already become herbs or, when remaining woody, already had small conduits (that is, the trait evolved before the climate occupancy). By contrast, most deciduous woody lineages had an evolutionary shift to seasonally shedding their leaves only after exposure to freezing (that is, the climate occupancy evolved before the trait). For angiosperms to inhabit novel cold environments they had to gain new structural and functional trait solutions; our results suggest that many of these solutions were probably acquired before their foray into the cold.

Premise of the Study Large phylogenies can help shed light on macroevolutionary patterns that inform our understanding of fundamental processes that shape the tree of life. These phylogenies also serve as tools that facilitate other systematic, evolutionary, and ecological analyses. Here we combine genetic data from public repositories (GenBank) with phylogenetic data (Open Tree of Life project) to construct a dated phylogeny for seed plants. Methods We conducted a hierarchical clustering analysis of publicly available molecular data for major clades within the Spermatophyta. We constructed phylogenies of major clades, estimated divergence times, and incorporated data from the Open Tree of Life project, resulting in a seed plant phylogeny. We estimated diversification rates, excluding those taxa without molecular data. We also summarized topological uncertainty and data overlap for each major clade. Key Results The trees constructed for Spermatophyta consisted of 79,881 and 353,185 terminal taxa; the latter included the Open Tree of Life taxa for which we could not include molecular data from GenBank. The diversification analyses demonstrated nested patterns of rate shifts throughout the phylogeny. Data overlap and inference uncertainty show significant variation throughout and demonstrate the continued need for data collection across seed plants. Conclusions This study demonstrates a means for combining available resources to construct a dated phylogeny for plants. However, this approach is an early step and more developments are needed to add data, better incorporating underlying uncertainty, and improve resolution. The methods discussed here can also be applied to other major clades in the tree of life.

Variable rates of molecular evolution have been documented across the tree of life, but the cause of this observed variation within and among clades remains uncertain. In plants, it has been suggested that life history traits are correlated with the rate of molecular evolution, but previous studies have yielded conflicting results. Exceptionally large phylogenies of five major angiosperm clades demonstrate that rates of molecular evolution are consistently low in trees and shrubs, with relatively long generation times, as compared with related herbaceous plants, which generally have shorter generation times. Herbs show much higher rates of molecular change but also much higher variance in rates. Correlates of life history attributes have long been of interest to biologists, and our results demonstrate how changes in the rate of molecular evolution that are linked to life history traits can affect measurements of the tempo of evolution as well as our ability to identify and conserve biodiversity.

Significance Scientists have used gene sequences and morphological data to construct tens of thousands of evolutionary trees that describe the evolutionary history of animals, plants, and microbes. This study is the first, to our knowledge, to apply an efficient and automated process for assembling published trees into a complete tree of life. This tree and the underlying data are available to browse and download from the Internet, facilitating subsequent analyses that require evolutionary trees. The tree can be easily updated with newly published data. Our analysis of coverage not only reveals gaps in sampling and naming biodiversity but also further demonstrates that most published phylogenies are not available in digital formats that can be summarized into a tree of life.

Abstract Summary: Ever larger phylogenies are being constructed due to the explosion of genetic data and development of high-performance phylogenetic reconstruction algorithms. However, most methods for calculating divergence times are limited to datasets that are orders of magnitude smaller than recently published large phylogenies. Here, we present an algorithm and implementation of a divergence time method using penalized likelihood that can handle datasets of thousands of taxa. We implement a method that combines the standard derivative-based optimization with a stochastic simulated annealing approach to overcome optimization challenges. We compare this approach with existing software including r8s, PATHd8 and BEAST. Availability: Source code, example files, binaries and documentation for treePL are available at https://github.com/blackrim/treePL. Contact: eebsmith@umich.edu Supplementary information: Supplementary data are available at Bioinformatics online.

• Premise of the study : Recent analyses employing up to five genes have provided numerous insights into angiosperm phylogeny, but many relationships have remained unresolved or poorly supported. In the hope of improving our understanding of angiosperm phylogeny, we expanded sampling of taxa and genes beyond previous analyses. • Methods : We conducted two primary analyses based on 640 species representing 330 families. The first included 25260 aligned base pairs (bp) from 17 genes (representing all three plant genomes, i.e., nucleus, plastid, and mitochondrion). The second included 19846 aligned bp from 13 genes (representing only the nucleus and plastid). • Key results : Many important questions of deep‐level relationships in the nonmonocot angiosperms have now been resolved with strong support. Amborellaceae, Nymphaeales, and Austrobaileyales are successive sisters to the remaining angiosperms ( Mesangiospermae ), which are resolved into Chloranthales + Magnoliidae as sister to Monocotyledoneae + [Ceratophyllaceae + Eudicotyledoneae ]. Eudicotyledoneae contains a basal grade subtending Gunneridae . Within Gunneridae , Gunnerales are sister to the remainder ( Pentapetalae ), which comprises (1) Superrosidae , consisting of Rosidae (including Vitaceae) and Saxifragales; and (2) Superasteridae , comprising Berberidopsidales, Santalales, Caryophyllales , Asteridae , and, based on this study, Dilleniaceae (although other recent analyses disagree with this placement). Within the major subclades of Pentapetalae , most deep‐level relationships are resolved with strong support. • Conclusions : Our analyses confirm that with large amounts of sequence data, most deep‐level relationships within the angiosperms can be resolved. We anticipate that this well‐resolved angiosperm tree will be of broad utility for many areas of biology, including physiology, ecology, paleobiology, and genomics.

The Base of the Animal Tree? The identity of the most basal lineages of the animal kingdom evolutionary tree has long been contested. Ryan et al. (p. 10.1126/science.1242592 ; see the Perspective by Rokas ) sequenced the genome of the ctenophore the warty comb jelly or sea walnut, Mnemiopsis leidyi , and conclude that ctenophores alone, not sponges or the clade consisting of both ctenophores and cnidarians, are the most basal extant animals. The results suggest a specific evolutionary process that likely occurred—including repeated gains and loss of mesoderm, expansion of genes associated with the cell cycle, growth signaling, apoptosis, and epithelial and neural cell types. Furthermore, previous hypotheses regarding the evolution of animals may require re-evaluation.