A Linear-Time Algorithm for Gaussian and Non-Gaussian Trait Evolution Models

系统发育树 数学 计算系统发育学 协方差 选型 算法 系统发育网络 统计 生物 生物化学 基因
作者
Lam Si Tung Ho,Cécile Ané
出处
期刊:Systematic Biology [Oxford University Press]
卷期号:63 (3): 397-408 被引量:1128
标识
DOI:10.1093/sysbio/syu005
摘要

We developed a linear-time algorithm applicable to a large class of trait evolution models, for efficient likelihood calculations and parameter inference on very large trees. Our algorithm solves the traditional computational burden associated with two key terms, namely the determinant of the phylogenetic covariance matrix V and quadratic products involving the inverse of V. Applications include Gaussian models such as Brownian motion-derived models like Pagel's lambda, kappa, delta, and the early-burst model; Ornstein-Uhlenbeck models to account for natural selection with possibly varying selection parameters along the tree; as well as non-Gaussian models such as phylogenetic logistic regression, phylogenetic Poisson regression, and phylogenetic generalized linear mixed models. Outside of phylogenetic regression, our algorithm also applies to phylogenetic principal component analysis, phylogenetic discriminant analysis or phylogenetic prediction. The computational gain opens up new avenues for complex models or extensive resampling procedures on very large trees. We identify the class of models that our algorithm can handle as all models whose covariance matrix has a 3-point structure. We further show that this structure uniquely identifies a rooted tree whose branch lengths parametrize the trait covariance matrix, which acts as a similarity matrix. The new algorithm is implemented in the R package phylolm, including functions for phylogenetic linear regression and phylogenetic logistic regression.
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