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Coupling ecological network analysis with high-throughput sequencing-based surveys: Lessons from the next-generation biomonitoring project

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  • Maxime Dubart

    (Evo-Eco-Paléo (EEP) - Évolution, Écologie et Paléontologie (Evo-Eco-Paleo) - UMR 8198 - Université de Lille - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique)

  • Pascal Alonso

    (UMR PHIM - Plant Health Institute of Montpellier - Cirad - Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement - IRD - Institut de Recherche pour le Développement - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement - Institut Agro Montpellier - Institut Agro - Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement - UM - Université de Montpellier)

  • Didac Barroso-Bergadà

    (Agroécologie [Dijon] - UB - Université de Bourgogne - UBFC - Université Bourgogne Franche-Comté [COMUE] - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement - Institut Agro Dijon - Institut Agro - Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement)

  • N. Becker

    (ISYEB - Institut de Systématique, Evolution, Biodiversité - MNHN - Muséum national d'Histoire naturelle - EPHE - École Pratique des Hautes Études - PSL - Université Paris Sciences et Lettres - SU - Sorbonne Université - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique - UA - Université des Antilles)

  • Kevine Bethune

    (CEFE - Centre d’Ecologie Fonctionnelle et Evolutive - UPVM - Université Paul-Valéry - Montpellier 3 - EPHE - École Pratique des Hautes Études - PSL - Université Paris Sciences et Lettres - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique - IRD [Occitanie] - Institut de Recherche pour le Développement - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement - Institut Agro Montpellier - Institut Agro - Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement - UM - Université de Montpellier)

  • David Bohan

    (Agroécologie [Dijon] - UB - Université de Bourgogne - UBFC - Université Bourgogne Franche-Comté [COMUE] - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement - Institut Agro Dijon - Institut Agro - Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement)

  • Christophe Boury

    (BioGeCo - Biodiversité, Gènes & Communautés - UB - Université de Bordeaux - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement)

  • Marine Cambon

    (BioGeCo - Biodiversité, Gènes & Communautés - UB - Université de Bordeaux - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement, Bangor University)

  • Elsa Canard

    (IGEPP - Institut de Génétique, Environnement et Protection des Plantes - UR - Université de Rennes - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement - Institut Agro Rennes Angers - Institut Agro - Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement)

  • Emilie Chancerel

    (BioGeCo - Biodiversité, Gènes & Communautés - UB - Université de Bordeaux - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement)

  • Julien Chiquet

    (MIA Paris-Saclay - Mathématiques et Informatique Appliquées - AgroParisTech - Université Paris-Saclay - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement)

  • Patrice David

    (CEFE - Centre d’Ecologie Fonctionnelle et Evolutive - UPVM - Université Paul-Valéry - Montpellier 3 - EPHE - École Pratique des Hautes Études - PSL - Université Paris Sciences et Lettres - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique - IRD [Occitanie] - Institut de Recherche pour le Développement - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement - Institut Agro Montpellier - Institut Agro - Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement - UM - Université de Montpellier)

  • Natasha de Manincor

    (Evo-Eco-Paléo (EEP) - Évolution, Écologie et Paléontologie (Evo-Eco-Paleo) - UMR 8198 - Université de Lille - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique, UC Riverside - University of California [Riverside] - UC - University of California)

  • Sophie Donnet

    (MIA Paris-Saclay - Mathématiques et Informatique Appliquées - AgroParisTech - Université Paris-Saclay - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement)

  • Anne Duputié

    (Evo-Eco-Paléo (EEP) - Évolution, Écologie et Paléontologie (Evo-Eco-Paleo) - UMR 8198 - Université de Lille - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique)

  • Benoit Facon

    (UMR PVBMT - Peuplements végétaux et bioagresseurs en milieu tropical - Cirad - Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement - IRD - Institut de Recherche pour le Développement - UR - Université de La Réunion - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement, UMR CBGP - Centre de Biologie pour la Gestion des Populations - Cirad - Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement - IRD [Occitanie] - Institut de Recherche pour le Développement - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement - Institut Agro Montpellier - Institut Agro - Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement - UM - Université de Montpellier)

  • Erwan Guichoux

    (BioGeCo - Biodiversité, Gènes & Communautés - UB - Université de Bordeaux - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement)

  • Tâm Le Minh

    (MIA Paris-Saclay - Mathématiques et Informatique Appliquées - AgroParisTech - Université Paris-Saclay - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement)

  • Sebastián Ortiz-Martínez

    (IGEPP - Institut de Génétique, Environnement et Protection des Plantes - UR - Université de Rennes - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement - Institut Agro Rennes Angers - Institut Agro - Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement)

  • Lucie Piouceau

    (BioGeCo - Biodiversité, Gènes & Communautés - UB - Université de Bordeaux - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement)

  • Ambre Sacco-Martret de Préville

    (IGEPP - Institut de Génétique, Environnement et Protection des Plantes - UR - Université de Rennes - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement - Institut Agro Rennes Angers - Institut Agro - Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement)

  • Manuel Plantegenest

    (IGEPP - Institut de Génétique, Environnement et Protection des Plantes - UR - Université de Rennes - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement - Institut Agro Rennes Angers - Institut Agro - Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement)

  • Céline Poux

    (Evo-Eco-Paléo (EEP) - Évolution, Écologie et Paléontologie (Evo-Eco-Paleo) - UMR 8198 - Université de Lille - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique)

  • Virginie Ravigné

    (ISYEB - Institut de Systématique, Evolution, Biodiversité - MNHN - Muséum national d'Histoire naturelle - EPHE - École Pratique des Hautes Études - PSL - Université Paris Sciences et Lettres - SU - Sorbonne Université - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique - UA - Université des Antilles, UMR PVBMT - Peuplements végétaux et bioagresseurs en milieu tropical - Cirad - Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement - IRD - Institut de Recherche pour le Développement - UR - Université de La Réunion - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement, Cirad-BIOS - Département Systèmes Biologiques - Cirad - Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement)

  • Stéphane Robin

    (MIA Paris-Saclay - Mathématiques et Informatique Appliquées - AgroParisTech - Université Paris-Saclay - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement, LPSM (UMR_8001) - Laboratoire de Probabilités, Statistique et Modélisation - SU - Sorbonne Université - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique - UPCité - Université Paris Cité)

  • Marine Trillat

    (BioGeCo - Biodiversité, Gènes & Communautés - UB - Université de Bordeaux - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement)

  • Corinne Vacher

    (BioGeCo - Biodiversité, Gènes & Communautés - UB - Université de Bordeaux - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement)

  • Christian Vernière

    (Cirad-BIOS - Département Systèmes Biologiques - Cirad - Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement, UMR PHIM - Plant Health Institute of Montpellier - Cirad - Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement - IRD - Institut de Recherche pour le Développement - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement - Institut Agro Montpellier - Institut Agro - Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement - UM - Université de Montpellier)

  • François Massol

    (CIIL - Centre d’Infection et d’Immunité de Lille - INSERM U 1019 - UMR 9017 - UMR 8204 - Institut Pasteur de Lille - Pasteur Network (Réseau International des Instituts Pasteur) - INSERM - Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale - Université de Lille - CHRU Lille - Centre Hospitalier Régional Universitaire [CHU Lille] - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique)

Abstract

Biomonitoring ecosystems is necessary in order to evaluate risks and to efficiently manage ecosystems and their associated services. Agrosystems are the target of multiple stressors that can affect many species through effects cascading along food webs. However, classic biomonitoring, focused on species diversity or indicator species, might be a poor predictor of the risk of such whole-ecosystem perturbations. Thanks to high-throughput sequencing methods, however, it might be possible to obtain sufficient information about entire ecological communities to infer the functioning of their associated interaction networks, and thus monitor more closely the risk of the collapse of entire food webs due to external stressors. In the course of the ‘next-generation biomonitoring' project, we collectively sought to experiment with this idea of inferring ecological networks on the basis of metabarcoding information gathered on different systems. We here give an overview of issues and preliminary results associated with this endeavour and highlight the main difficulties that such next-generation biomonitoring is still facing. Going from sampling protocols up to methods for comparing inferred networks, through biomolecular, bioinformatic, and network inference, we review all steps of the process, with a view towards generality and transferability towards other systems.

Suggested Citation

  • Maxime Dubart & Pascal Alonso & Didac Barroso-Bergadà & N. Becker & Kevine Bethune & David Bohan & Christophe Boury & Marine Cambon & Elsa Canard & Emilie Chancerel & Julien Chiquet & Patrice David & , 2022. "Coupling ecological network analysis with high-throughput sequencing-based surveys: Lessons from the next-generation biomonitoring project," Post-Print hal-03634351, HAL.
  • Handle: RePEc:hal:journl:hal-03634351
    DOI: 10.1016/bs.aecr.2021.10.007
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    1. Jed A. Fuhrman, 2009. "Microbial community structure and its functional implications," Nature, Nature, vol. 459(7244), pages 193-199, May.
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    1. Zihan Wang & Akshit Goyal & Veronika Dubinkina & Ashish B. George & Tong Wang & Yulia Fridman & Sergei Maslov, 2021. "Complementary resource preferences spontaneously emerge in diauxic microbial communities," Nature Communications, Nature, vol. 12(1), pages 1-12, December.
    2. Lei Zhang & Yu Cheng & Guang Gao & Jiahu Jiang, 2019. "Spatial-Temporal Variation of Bacterial Communities in Sediments in Lake Chaohu, a Large, Shallow Eutrophic Lake in China," IJERPH, MDPI, vol. 16(20), pages 1-18, October.
    3. Leon Dlugosch & Anja Poehlein & Bernd Wemheuer & Birgit Pfeiffer & Thomas H. Badewien & Rolf Daniel & Meinhard Simon, 2022. "Significance of gene variants for the functional biogeography of the near-surface Atlantic Ocean microbiome," Nature Communications, Nature, vol. 13(1), pages 1-11, December.
    4. Zihan Yue & Kun Yuan & Mayuko Seki & Shin-Ichiro Agake & Keisuke Matsumura & Naohisa Okita & Wako Naoi & Katsuhiko Naoi & Koki Toyota & Haruo Tanaka & Soh Sugihara & Michiko Yasuda & Naoko Ohkama-Ohts, 2024. "Comparative Analysis of Japanese Soils: Exploring Power Generation Capability in Relation to Bacterial Communities," Sustainability, MDPI, vol. 16(11), pages 1-16, May.
    5. Yangyi Zhou & Jiangping Wang, 2023. "The Composition and Assembly of Soil Microbial Communities Differ across Vegetation Cover Types of Urban Green Spaces," Sustainability, MDPI, vol. 15(17), pages 1-15, August.
    6. Elise Vaumourin & Patrick Gasqui & Jean-Philippe Buffet & Jean-Louis Chapuis & Benoît Pisanu & Elisabeth Ferquel & Muriel Vayssier-Taussat & Gwenaël Vourc’h, 2013. "A Probabilistic Model in Cross-Sectional Studies for Identifying Interactions between Two Persistent Vector-Borne Pathogens in Reservoir Populations," PLOS ONE, Public Library of Science, vol. 8(6), pages 1-9, June.
    7. Mengzhi Ji & Jiayin Zhou & Yan Li & Kai Ma & Wen Song & Yueyue Li & Jizhong Zhou & Qichao Tu, 2024. "Biodiversity of mudflat intertidal viromes along the Chinese coasts," Nature Communications, Nature, vol. 15(1), pages 1-14, December.
    8. Heneghan, Ryan F. & Everett, Jason D. & Sykes, Patrick & Batten, Sonia D. & Edwards, Martin & Takahashi, Kunio & Suthers, Iain M. & Blanchard, Julia L. & Richardson, Anthony J., 2020. "A functional size-spectrum model of the global marine ecosystem that resolves zooplankton composition," Ecological Modelling, Elsevier, vol. 435(C).
    9. Xiaoping Xin & Jiali Shentu & Tiequan Zhang & Xiaoe Yang & Virupax C. Baligar & Zhenli He, 2022. "Sources, Indicators, and Assessment of Soil Contamination by Potentially Toxic Metals," Sustainability, MDPI, vol. 14(23), pages 1-16, November.

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    Keywords

    Ecological networks; eDNA; High throughput sequencing; Logic-based machine learning; Microbiomes; Network inference; Next-generation biomonitoring; Next-generation sequencing;
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