Predicting environmental stressor levels with machine learning: a comparison between amplicon sequencing, metagenomics, and total RNA sequencing based on taxonomically assigned data
Notice bibliographique
Résumé
Introduction: Microbes are increasingly (re)considered for environmental assessments because they are powerful indicators for the health of ecosystems. The complexity of microbial communities necessitates powerful novel tools to derive conclusions for environmental decision-makers, and machine learning is a promising option in that context. While amplicon sequencing is typically applied to assess microbial communities, metagenomics and total RNA sequencing (herein summarized as omics-based methods) can provide a more holistic picture of microbial biodiversity at sufficient sequencing depths. Despite this advantage, amplicon sequencing and omics-based methods have not yet been compared for taxonomy-based environmental assessments with machine learning. Methods: In this study, we applied 16S and ITS-2 sequencing, metagenomics, and total RNA sequencing to samples from a stream mesocosm experiment that investigated the impacts of two aquatic stressors, insecticide and increased fine sediment deposition, on stream biodiversity. We processed the data using similarity clustering and denoising (only applicable to amplicon sequencing) as well as multiple taxonomic levels, data types, feature selection, and machine learning algorithms and evaluated the stressor prediction performance of each generated model for a total of 1,536 evaluated combinations of taxonomic datasets and data-processing methods. Results: Sequencing and data-processing methods had a substantial impact on stressor prediction. While omics-based methods detected a higher diversity of taxa than amplicon sequencing, 16S sequencing outperformed all other sequencing methods in terms of stressor prediction based on the Matthews Correlation Coefficient. However, even the highest observed performance for 16S sequencing was still only moderate. Omics-based methods performed poorly overall, but this was likely due to insufficient sequencing depth. Data types had no impact on performance while feature selection significantly improved performance for omics-based methods but not for amplicon sequencing. Discussion: We conclude that amplicon sequencing might be a better candidate for machine-learning-based environmental stressor prediction than omics-based methods, but the latter require further research at higher sequencing depths to confirm this conclusion. More sampling could improve stressor prediction performance, and while this was not possible in the context of our study, thousands of sampling sites are monitored for routine environmental assessments, providing an ideal framework to further refine the approach for possible implementation in environmental diagnostics.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,010 | 0,011 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,002 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,003 | 0,002 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,001 |
| Communication savante | 0,002 | 0,002 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».