Na prática de hoje aprenderemos a calcular a diversidade filogenética beta, também chamada de “filobetadiversidade”. Utilizaremos dois métodos, o Unifrac e o Phylosor.

Primeiramente, limpe sua área de trabalho e de gráficos.

rm(list=ls())
graphics.off()

Carregue os pacotes a serem usados (ape, picante). Se você ainda não os tem instalados, antes de carregá-los, deve utilizar a função “install.packages”.

library(ape)
library(picante)

Para você calcular a diversidade filogenética beta, você precisará dos seguintes dados: uma filogenia e a abundância (ou ocorrência) das espécies da filogenia em comunidades. Ou seja, com um mesmo conjunto de dados, você pode calcular diversidade filogenética alfa e beta. Aqui, calcularemos apenas beta.

Vamos utilizar os dados disponíveis em http://goo.gl/yS8WLs (não são os mesmos da aula passada). Baixe os dados da pasta para o seu diretório de trabalho do R. Esses dados são provenientes da “Base de Dados de Transeções em Florestas de Alwyn H. Gentry”, disponível em http://goo.gl/jgsZNb (abra se quiser ver a origem dos dados).

Utilize os seguintes comandos para carregar os dados.

tree <- read.tree("phylotree.txt")
comm <- read.csv("comm_gentry14_elf.csv", row.names = 1)

Observe a estrutura dos dados de comunidades e da filogenia. Observe quantas espécies há na matriz de comunidades e quantas na filogenia.

comm[1:4,1:4]
dim(comm)
tree

Carregue também os dados com os reinos biogeográficos a que pertencem as comunidades e observe a estrutura dos dados.

realms <- read.csv("sites_realms_elf.csv")
realms

Verifique se todas as 755 espécies da matriz de comunidades estão presentes na filogenia.

summary(colnames(comm) %in% tree$tip.label)

Visualize a árvore filogenética.

par(mar=c(0,1,0,1))
plot(tree, show.node=F, show.tip.label = F, cex=0.6, type="fan")

Agora podemos calcular a diversidade filogenética beta com o método Unifrac. Como a diversidade beta é calculada ENTRE comunidades, o resultado gerado será uma matriz de dissimilaridades filogenéticas entre pares de comunidades.

dist_unifrac <- unifrac(comm, tree)

Observe a estrutura da matriz de diversidade beta gerada, transformando-a em objeto (do R) do tipo matriz.

dist_unifrac_m <- as.matrix(dist_unifrac)
dist_unifrac_m[1:4,1:4]

Como é difícil de interpretar um padrão geral a partir da matriz de dissimilaridades, você pode utilizar uma análise de agrupamento para sintetizar os resultados. A análise de agrupamento é uma técnica multivariada que busca formar grupos hierárquicos de observações (no caso, comunidades) com base na sua similaridade em termos de múltiplas variáveis (no caso, as múltiplas espécies que compõem as comunidades). Como aqui a medida de dissimilaridade utilizada é uma medida de diversidade filogenética beta, um dendrograma do agrupamento mostrará a hierarquia de similaridades entre comunidades em termos de composição filogenética (ou seja, composição de linhagens).

agrup_unifrac <- hclust(dist_unifrac, method="average")
par(mai=c(1.5,0.8,0.6,0.8))
plot(agrup_unifrac, labels=realms$realm)

Você também pode calcular diversidade filogenética beta com o método Phylosor. Neste caso, como Phylosor é uma medida de similaridade, podemos obter a dissimilaridade de Phylosor a partir de seu complemento de 1 (subtraindo cada valor de Phylosor de 1).

sim_phylosor <- phylosor(comm, tree)
dist_phylosor <- 1 - sim_phylosor
dist_phylosor_m <- as.matrix(dist_phylosor)
dist_phylosor_m[1:4,1:4]

Aplique o agrupamento à matriz de dissimilaridades Phylosor e plote o dendrograma.

agrup_phylosor <- hclust(dist_phylosor, method="average")
par(mai=c(1.5,0.8,0.6,0.8))
plot(agrup_phylosor, labels=realms$realm)

Confira se as duas medidas de filobetadiversidade geram o mesmo resultado.

plot(dist_phylosor, dist_unifrac)

##Exercício não avaliativo (não é para entregar).

  1. Como você explicaria o resultado observado em que comunidades neotropicais ficaram em geral no mesmo grande grupo e comunidades afrotropicais em um outro grande grupo? Argumente tanto do ponto de vista metodológico quanto biológico.

Referência para consulta sobre a questão biológica: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/ecog.02104

##Além do exercício, aproveite a aula prática para discutir as análises finais de seu projeto com o professor.