For a phylogenetic tree, the phylogenetic diversity of a set A of taxa is the total weight of edges on paths to A. Finding small sets of maximal diversity is crucial for conservation planning, as it indicates where limited resources can be invested most efficiently. In recent years, efficient algorithms have been developed to find sets of taxa that maximize phylogenetic diversity either in a phylogenetic network or in a phylogenetic tree subject to ecological constraints, such as a food web. However, these aspects have mostly been studied independently. Since both factors are biologically important, it seems natural to consider them together. In this paper, we introduce decision problems where, given a phylogenetic network, a food web, and integers k, and D, the task is to find a set of k taxa with phylogenetic diversity of at least D under the maximize all paths measure, while also satisfying viability conditions within the food web. Here, we consider different definitions of viability, which all demand that a "sufficient" number of prey species survive to support surviving predators. We investigate the parameterized complexity of these problems and present several fixed-parameter tractable (FPT) algorithms. Specifically, we provide a complete complexity dichotomy characterizing which combinations of parameters - out of the size constraint k, the acceptable diversity loss D, the scanwidth of the food web, the maximum in-degree in the network, and the network height h - lead to W[1]-hardness and which admit FPT algorithms. Our primary methodological contribution is a novel algorithmic framework for solving phylogenetic diversity problems in networks where dependencies (such as those from a food web) impose an order, using a color coding approach.


翻译:对于系统发育树,一组分类群A的系统发育多样性是指通往A的路径上所有边的总权重。寻找具有最大多样性的小型分类群集合对于保护规划至关重要,因为这指示了有限资源可被最有效投入的区域。近年来,已开发出高效算法,用于在系统发育网络或受生态约束(如食物网)的系统发育树中寻找最大化系统发育多样性的分类群集合。然而,这些方面大多被独立研究。由于这两个因素在生物学上均具有重要意义,将它们结合起来考虑显得十分自然。本文引入了一系列决策问题:给定一个系统发育网络、一个食物网以及整数k和D,任务是在最大化所有路径度量的前提下,寻找一个包含k个分类群的集合,使其系统发育多样性至少为D,同时满足食物网内的生存可行性条件。在此,我们考虑了不同的生存可行性定义,这些定义均要求有“足够”数量的猎物物种存活以维持捕食者的生存。我们研究了这些问题的参数化复杂性,并提出了若干固定参数可解(FPT)算法。具体而言,我们给出了完整的复杂性二分刻画,明确了在以下参数组合中——包括规模约束k、可接受的多样性损失D、食物网的扫描宽度、网络中的最大入度以及网络高度h——哪些会导致W[1]难解性,哪些允许FPT算法存在。我们的主要方法学贡献是提出了一种新颖的算法框架,通过颜色编码方法,解决在依赖关系(如来自食物网的依赖)施加顺序的网络中的系统发育多样性问题。

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