Soil life supports the functioning and biodiversity of terrestrial ecosystems 1, 2 . Springtails (Collembola) are among the most abundant soil animals regulating soil fertility and flow of energy through above- and belowground food webs 3–5 . However, the global distribution of springtail diversity and density, and how these relate to energy fluxes remains unknown. Here, using a global dataset collected from 2,470 sites, we estimate total soil springtail biomass at 29 Mt carbon (threefold higher than wild terrestrial vertebrates 6 ) and record peak densities up to 2 million individuals per m² in the Arctic. Despite a 20-fold biomass difference between tundra and the tropics, springtail energy use (community metabolism) remains similar across the latitudinal gradient, owing to the increase in temperature. Neither springtail density nor community metabolism were predicted by local species richness, which was highest in the tropics, but comparably high in some temperate forests and even tundra. Changes in springtail activity may emerge from latitudinal gradients in temperature, predation 7, 8 , and resource limitation 7, 9, 10 in soil communities. Contrasting temperature responses of biomass, diversity and activity of springtail communities suggest that climate warming will alter fundamental soil biodiversity metrics in different directions, potentially restructuring terrestrial food webs and affecting major soil functions.

Abstract Correlations between variation in opsin expression and variation in vision are often assumed but rarely tested. We exposed starry flounder ( Platichthys stellatus ) to either broad spectrum sunlight or green-filtered light in outdoor aquaria for seven weeks and then combined digital-PCR and camouflage experiments to test two hypotheses: i) short-wavelength sensitive opsin expression decreases in a green light environment, and ii) if observed, this change in opsin expression influences colour vision as estimated using a camouflage-based behavioural assay. Of the eight visual opsins measured, Sws1 (UV sensitive) and Sws2B (blue sensitive) expression was significantly lower in fish exposed to green light. However, opsin expression in fish transferred to an arena illuminated with white LED light for three hours after the green light treatment did not differ from broad spectrum controls. Changes in opsin expression in response to artificial light environments have been reported before, but rapid changes over three hours rather than days or weeks is unprecedented. We did not observe a significant difference in a flounder’s camouflage response based on light environment, although broad spectrum fish increased and green-filter fish decreased the pattern contrast when on the blue-green substrate, and this difference approached significance. This pattern is intriguing considering green-filter fish expressed fewer UV and blue opsins and we recommend increased statistical power for future experiments. Together, our results show that starry flounder opsin expression changes rapidly in response to changes in light environment, however, there is no apparent effect on their visually mediated camouflage.

Abstract Organ-on-a-chip systems that recapitulate tissue-level functions have been proposed to improve in vitro–in vivo correlation in drug development. Significant progress has been made to control the cellular microenvironment with mechanical stimulation and fluid flow. However, it has been challenging to introduce complex 3D tissue structures due to the physical constraints of microfluidic channels or membranes in organ-on-a-chip systems. Although this problem could be addressed with the integration of 3D bioprinting, it is not an easy task because the two technologies have fundamentally different fabrication processes. Inspired by 4D bioprinting, we develop a 4D subtractive manufacturing technique where a flexible sacrificial material can be patterned on a 2D surface, change shape when exposed to aqueous hydrogel, and subsequently degrade to produce perfusable networks in a natural hydrogel matrix that can be populated with cells. The technique is applied to fabricate organ-specific vascular networks, vascularized kidney proximal tubules, and terminal lung alveoli in a customized 384-well plate and then further scaled to a 24-well plate format to make a large vascular network, vascularized liver tissues, and for integration with ultrasound imaging. This biofabrication method eliminates the physical constraints in organ-on-a-chip systems to incorporate complex ready-to-perfuse tissue structures in an open-well design.

Abstract As the Watson-Crick faces of nucleobases are protected in double-stranded DNA (dsDNA), it is commonly assumed that deleterious alkylation damage to the Watson-Crick faces of nucleobases predominantly occurs when DNA becomes single-stranded during replication and transcription. However, damage to the Watson-Crick faces of nucleobases has been reported in dsDNA in vitro through mechanisms that are not understood. In addition, the extent of protection from methylation damage conferred by dsDNA relative to single-stranded DNA (ssDNA) has not been quantified. Watson-Crick base-pairs in dsDNA exist in dynamic equilibrium with Hoogsteen base-pairs that expose the Watson-Crick faces of purine nucleobases to solvent. Whether this can influence the damage susceptibility of dsDNA remains unknown. Using dot-blot and primer extension assays, we measured the susceptibility of adenine-N1 to methylation by dimethyl sulfate (DMS) when in an A-T Watson-Crick versus Hoogsteen conformation. Relative to unpaired adenines in a bulge, Watson-Crick A-T base-pairs in dsDNA only conferred ~130-fold protection against adenine-N1 methylation and this protection was reduced to ~40-fold for A( syn )-T Hoogsteen base-pairs embedded in a DNA-drug complex. Our results indicate that Watson-Crick faces of nucleobases are accessible to alkylating agents in canonical dsDNA and that Hoogsteen base-pairs increase this accessibility. Given the higher abundance of dsDNA relative to ssDNA, these results suggest that dsDNA could be a substantial source of cytotoxic damage. The work establishes DMS probing as a method for characterizing A( syn )-T Hoogsteen base pairs in vitro and also lays the foundation for a sequencing approach to map A( syn )-T Hoogsteen and unpaired adenines genome-wide in vivo .

Abstract Three-dimensional (3D) tissue models such as epithelial spheroids or organoids have become popular for pre-clinical drug studies. However, different from 2D monolayer culture, the characterization of 3D tissue models from non-invasive brightfield images is a significant challenge. To address this issue, here we report a Deep-Learning Uncovered Measurement of Epithelial Networks (Deep-LUMEN) assay. Deep-LUMEN is an object detection algorithm that has been fine-tuned to automatically uncover subtle differences in epithelial spheroid morphology from brightfield images. This algorithm can track changes in the luminal structure of tissue spheroids and distinguish between polarized and non-polarized lung epithelial spheroids. The Deep-LUMEN assay was validated by screening for changes in spheroid epithelial architecture in response to different extracellular matrices and drug treatments. Specifically, we found the dose-dependent toxicity of Cyclosporin can be underestimated if the effect of the drug on tissue morphology is not considered. Hence, Deep-LUMEN could be used to assess drug effects and capture morphological changes in 3D spheroid models in a non-invasive manner. Significance of the work Deep learning has been applied for the first time to autonomously detect subtle morphological changes in 3D multi-cellular spheroids, such as spheroid polarity, from brightfield images in a label-free manner. The technique has been validated by detecting changes in spheroid morphology in response to changes in extracellular matrices and drug treatments.