Abstract The central nervous system of the cephalochordate amphioxus consists of a dorsal neural tube with an anterior brain. Two decades of gene expression analyses in developing amphioxus embryos have shown that despite the lack of overt segmentation the amphioxus neural tube is highly regionalized at the molecular level. However, little is known about the mechanisms that generate such precise regionalization. Proliferation is a key driver of pattern formation and cell type diversification, but in amphioxus it has never been studied in detail nor in the specific context of neurogenesis. Here, we describe the dynamics of cell division during the formation of the central nervous system in amphioxus embryos and its contributions to the regionalization of the neural axis. We show that after gastrulation, proliferation pauses to become spatially restricted to the anterior and posterior ends of the neural tube at neurula stages. Only at the onset of larval life, proliferation resumes in the central part of the nervous system. By marking specific populations and inhibiting cell division during neurulation, we demonstrate that proliferation in the anterior cerebral vesicle is required to establish the full cell type repertoire of the frontal eye complex and the putative hypothalamic region of the amphioxus brain, while posterior proliferating progenitors, which were found here to derive from the dorsal lip of the blastopore, contribute to elongate the caudal floor plate. Between these proliferative domains, we find trunk nervous system differentiation is independent from cell division, which decreases during neurulation and resumes at the early larval stage. Taken together, our results highlight multiple roles for proliferation in shaping the amphioxus nervous system.

During development, embryonic tissues are formed by the dynamic behaviours of their constituent cells, whose collective actions are tightly regulated in space and time. To understand such cell behaviours and how they have evolved, it is necessary to develop quantitative approaches to map out morphogenesis, so comparisons can be made across different tissues and organisms. With this idea in mind, here we sought to investigate ancestral principles of notochord development, by building a quantitative portrait of notochord morphogenesis in the amphioxus embryo, a basally-branching member of the chordate phylum. To this end, we developed a single-cell morphometrics pipeline to comprehensively catalogue the morphologies of thousands of notochord cells, and to project them simultaneously into a common mathematical space termed morphospace. This approach revealed complex patterns of cell-type specific shape trajectories, akin to those obtained using single-cell genomic approaches. By spatially mapping single-cell shape trajectories in whole segmented notochords, we found evidence of spatial and temporal variation in developmental dynamics. Such variations included temporal gradients of morphogenesis across the anterior-posterior embryonic axis, divergence of trajectories to different morphologies, and the convergence of different trajectories onto common morphologies. Through geometric simulations, we also identified an antagonistic relationship between cell shape regulation and growth that enables convergent extension to occur in two steps. First, by allowing growth to counterbalance loss of anterior-posterior cell length during cell intercalation. Secondly, by allowing growth to further increase cell length once cells have intercalated and aligned to the axial midline, thereby facilitating a second phase of tissue elongation. Finally, we show that apart from a complex coordination of individual cellular behaviours, posterior addition from proliferating progenitors is essential for full notochord elongation in amphioxus, a mechanism previously described only in vertebrates. This novel approach to quantifying morphogenesis paves the way towards comparative studies, and mechanistic explanations for the emergence of form over developmental and evolutionary time scales.

Abstract Background Schistosomiasis is a major Neglected Tropical Disease, caused by the infection with blood flukes in the genus Schistosoma . To complete the life cycle, the parasite undergoes asexual and sexual reproduction within an intermediate snail host and a definitive mammalian host, respectively. The intra-molluscan phase provides a critical amplification step that ensures a successful transmission. However, the cellular and molecular mechanisms underlying the development of the intra-molluscan stages remain poorly understood. Methods S. mansoni mother sporocysts were dissociated into single cell suspensions, and live cells enriched and sequenced using the single cell 10X Genomics Chromium platform. We defined somatic and stem/germinal cell clusters, identified cell type-enriched Gene Ontology (GO) terms, and predicted transcription factor binding sites for key marker genes. Results Six cell clusters comprising stem/germinal, two tegument, muscle, neuron, and parenchyma were identified and validated by Fluorescence in situ Hybridisation (FISH). GO term analysis predicted key biological processes for each of the clusters. Using the Self-Assembling Manifold (SAM) algorithm, three sub-clusters were identified within the stem/germinal cell population. Furthermore, transcription factor binding sites and putative transcription factors were predicted for stem/germinal and tegument clusters. Conclusions We report a spatially validated single cell transcriptomic analysis of the first intra-molluscan stage of S. mansoni. Key cell regulators were identified, paving the way for future analyses to unveil their role during the parasite development and interaction with its intermediate host.

Abstract How simple tissue primordia sculpt complex functional organs, robustly and reproducibly, remains elusive. As the zebrafish embryo grows into a larva, to improve its heart function, the embryonic myocardial wall transforms into an intricate 3D architecture, composed of an outer compact layer enveloping an inner layer of multicellular trabecular ridges. How these tissue layers acquire their characteristic form suited for their function remains an open question. Here, we find that multiscale mechanochemical coupling and an emergent tissue-scale morphological transition steer functional maturation of the developing zebrafish heart. Single-celled trabecular seeds recruit outer compact layer cells to mature into clonally heterogenous multicellular ridges, thereby amplifying cardiac contractile forces. In response, remaining compact layer cells are stretched, which impedes their further recruitment, thereby constraining trabecular ridge density. Concomitantly, Notch-dependent actomyosin dampening triggers a sharp transition in myocardial tissue area, activating rapid organ growth that expands blood filling capacity. Thus, multiscale self-organizing interactions optimize heart size and contractile efficiency to support embryonic life.