Abstract The maturation of single cell transcriptomic technologies has facilitated the generation of comprehensive cellular atlases from whole embryos. A majority of this data, however, has been collected from wild type embryos without an appreciation for latent variation present in development. Here we present single cell transcriptomic data from 1812 individually resolved developing zebrafish embryos, encompassing 19 time points, 23 genetic perturbations, and totaling 3.2M cells. The high degree of replication in our study (8 or more embryos per condition) allows us to estimate the variance in cell type abundance organism-wide and to detect perturbation-dependent deviance in cell type composition relative to wild type embryos. Our approach is sensitive to rare cell types, resolving developmental trajectories and genetic dependencies in the cranial ganglia neurons, a cell population that comprises less than 1% of the embryo. Additionally, time-series profiling of individual mutants identified a group of brachyury -independent cells with strikingly similar transcriptomes to notochord sheath cells, leading to new hypotheses about the origins of the skull. We anticipate that standardized collection of high-resolution, organism-scale single cell data from large numbers of individual embryos will enable mapping the genetic dependencies of zebrafish cell types, while also addressing long-standing challenges in developmental genetics, including the cellular and transcriptional plasticity underlying phenotypic diversity across individuals.

Mechanosensory hair cells of the inner ears and lateral line of vertebrates display heightened vulnerability to environmental insult, with damage resulting in hearing and balance disorders. An important example is hair cell loss due to exposure to toxic agents including therapeutic drugs such as the aminoglycoside antibiotics such as neomycin and gentamicin and antineoplastic agents. We describe two distinct cellular pathways for aminoglycoside-induced hair cell death in zebrafish lateral line hair cells. Neomycin exposure results in death from acute exposure with most cells dying within 1 hour of exposure. By contrast, exposure to gentamicin results primarily in delayed hair cell death, taking up to 24 hours for maximal effect. Washout experiments demonstrate that delayed death does not require continuous exposure, demonstrating two mechanisms where downstream responses differ in their timing. Acute damage is associated with mitochondrial calcium fluxes and can be alleviated by the mitochondrially-targeted antioxidant mitoTEMPO, while delayed death is independent of these factors. Conversely delayed death is associated with lysosomal accumulation and is reduced by altering endolysosomal function, while acute death is not sensitive to lysosomal manipulations. These experiments reveal the complexity of responses of hair cells to closely related compounds, suggesting that intervention focusing on early events rather than specific death pathways may be a successful therapeutic strategy.

Mechanosensory hair cells of the inner ears and lateral line of vertebrates display heightened vulnerability to environmental insult, with damage resulting in hearing and balance disorders. An important example is hair cell loss due to exposure to toxic agents including therapeutic drugs such as the aminoglycoside antibiotics neomycin and gentamicin and antineoplastic agents. We describe two distinct cellular pathways for aminoglycoside-induced hair cell death in zebrafish lateral line hair cells. Neomycin exposure results in death from acute exposure with most cells dying within 1 h of exposure. By contrast, exposure to gentamicin results primarily in delayed hair cell death, taking up to 24 h for maximal effect. Washout experiments demonstrate that delayed death does not require continuous exposure, demonstrating two mechanisms where downstream responses differ in their timing. Acute damage is associated with mitochondrial calcium fluxes and can be alleviated by the mitochondrially-targeted antioxidant mitoTEMPO, while delayed death is independent of these factors. Conversely delayed death is associated with lysosomal accumulation and is reduced by altering endolysosomal function, while acute death is not sensitive to lysosomal manipulations. These experiments reveal the complexity of responses of hair cells to closely related compounds, suggesting that intervention focusing on early events rather than specific death pathways may be a successful therapeutic strategy.