Abstract Clarifying the mechanisms of shape alteration by insect metamorphosis is important for comprehending exoskeletal morphogenesis. The large horn of the Japanese rhinoceros beetle Trypoxylus dichotomus is the result of drastic metamorphosis, wherein it appears as a rounded shape via pupation and then undergoes remodeling into an angular adult shape. However, the mechanical mechanisms of this remodeling process remain unknown. In this study, we investigated the remodeling mechanisms of the Japanese rhinoceros beetle horn by developing a physical simulation. We identified three factors contributing to remodeling by biological experiments—ventral adhesion, uneven shrinkage, and volume reduction—which were demonstrated to be crucial to the transformation by a physical simulation. We also corroborated our findings by applying the simulation to the stag beetle’s mandibular remodeling. These results indicate that the physical simulation is applicable to pupal remodeling in other beetles, and the morphogenic mechanisms could explain various exoskeletal shapes. Significance statement The metamorphosis in insects is a mysterious process. By metamorphosis, insects sometimes change their shape dramatically. The head horn of the Japanese rhinoceros beetle is one of the most famous examples of metamorphosis. In larva-to-pupa molting, the horn appears suddenly, caused by the “furrow formation and unfolding” mechanism. The unfolding process makes the pupal horn rounded. However, pupa-to-adult molting transforms the rounded shape into an angular shape. In this paper, we investigated the mechanisms of the transformation. We extracted factors contributing to it through observations and experiments and developed a physical simulation. It could reproduce the adult shape from the pupal shape and could be a general model for the pupa-adult transformation of beetles.

Oscillatory actomyosin flows play a key role in single cell migration and in collective cell movements that shape invertebrates embryos, but the role of such oscillations in vertebrate morphogenesis remains poorly defined. Here, data from mathematical modeling and in vivo 4D imaging of actomyosin in the Xenopus gastrula suggest that oscillatory actomyosin contractions are a general feature of convergent extension by junction shrinking. We show that synchronous intracellular flows link two spatially distinct populations of actomyosin within individual cells, but that oscillations are asynchronous between neighboring cells that share a shrinking cell-cell junction. We also show that the core PCP protein Prickle2 displays a parallel oscillatory behavior and is required for tuning the frequency of actomyosin contractions, indicating that PCP signaling controls not only the orientation of actomyosin contractions, but also their frequency. Together, these data provide new insights into the function and control of oscillatory actomyosin contractions in collective cell movement.

Leaf apex, the distal end of the leaf blade, exhibits enormous shape variations across plant species. Among these variations, the sharp apex, characterized by its pointed tip, is important in species identification and environmental adaptation. Despite its taxonomic and ecological importance, the developmental mechanisms underlying the formation of a sharp apex remain unknown. The present study aims to investigate the curvature patterns and morphogenesis of the sharp apex to uncover these mechanisms using Triadica sebifera leaves. Our research revealed that the sharp apex marks the maximum positive curvature, and is flanked by concave joints with negative curvatures, suggestive of differential tissue growth and spatially regulated cellular behavior. Through a combination of wet experiments and numerical simulations, we demonstrated that biregional cell division angles, rather than locally differing cell expansion or division frequency, play a determining role in shaping distinct leaf morphology. Our study highlights the importance of spatiotemporal regulation of cell division angles during leaf development, suggesting that a biregional growth pattern and cellular behavior contribute to diversity in leaf apex morphology.