Abstract Embryos are regeneration and wound healing masters. They not only rapidly close their wounds, remodel injured tissue without a scar, but also regenerate body parts. Many animal models with variable regenerative capabilities have already been studied. Additionally, with the introduction of high throughput techniques, novel regeneration mechanisms including genes and signaling pathways, and specialized cell types required for regeneration control in spatial and temporal aspects have been identified. Until now our knowledge has been limited to primarily the late phases of regeneration (> 1 day post injury). In this paper, we reveal the critical steps for regeneration initiation. We have discovered Regeneration Initiating Cells (RICs) using single cell and spatial transcriptomic analyses during tail regeneration in Xenopus laevis . RICs are formed transiently from the basal epidermal cells and are critical for the modification of the surrounding extracellular matrix to allow for migration of other cell types such as regeneration organizing cells that further promote regeneration. Absence or deregulation of RICs leads to excessive extracellular matrix deposition and regeneration defects.

Abstract Interspecific hybridization may trigger the transition from sexual reproduction to asexuality, but mechanistic reasons for such a change in a hybrid’s reproduction are poorly understood. Gametogenesis of many asexual hybrids involves a stage of premeiotic endoreduplication (PMER), when gonial cells duplicate chromosomes and subsequent meiotic divisions involve bivalents between identical copies, leading to production of clonal gametes. Here, we investigated the triggers of PMER and whether its induction is linked to intrinsic stimuli within a hybrid’s gonial cells or whether it is regulated by the surrounding gonadal tissue. We investigated gametogenesis in the Cobitis taenia hybrid complex, which involves sexually reproducing species ( Cobitis elongatoides and C. taenia ) as well as their hybrids, where females reproduce clonally via PMER while males are sterile. We transplanted spermatogonial stem cells (SSCs) from C. elongatoides and triploid hybrid males into embryos of sexual species and of asexual hybrid females, respectively, and observed their development in an allospecific gonadal environment. Sexual SSCs underwent regular meiosis and produced normally reduced gametes when transplanted into clonal females. On the other hand, the hybrid’s SSCs lead to sterility when transplanted into sexual males, but maintained their ability to undergo asexual development (PMER) and production of clonal eggs, when transplanted into sexual females. This suggests that asexual gametogenesis is under complex control when somatic gonadal tissue indirectly affects the execution of asexual development by determining the sexual differentiation of stem cells and once such cells develop to female phenotypes, hybrid germ cells trigger the PMER from their intrinsic signals. Significance Statement Although sexual reproduction is a dominant trait among all eukaryotes, many taxa have evolved the ability to reproduce asexually. While asexuality appears to be linked to interspecific hybridization, it remains unknown how the coexistence of diverged genomes may initiate such a swap in reproduction. In our study, we transplanted germ cells between asexual hybrids and their parents. On one hand, the ability of clonal gametogenesis occurred exclusively in hybrid germ cells, suggesting that asexual development is directly triggered by the hybrid genomic constitution of the cell. On the other hand, clonality was observed only in cells transplanted into females, suggesting that the execution of clonal development is influenced by signals from the gonadal environment and regulated by somatic factors.

Abstract In electroreceptive jawed vertebrates, embryonic lateral line placodes give rise to electrosensory ampullary organs as well as mechanosensory neuromasts. Previous reports of shared gene expression suggest that conserved mechanisms underlie electroreceptor and mechanosensory hair cell development and that electroreceptors evolved as a transcriptionally related ’sister cell type’ to hair cells. We previously identified only one transcription factor gene, Neurod4 , as ampullary organ-restricted in the developing lateral line system of a chondrostean ray-finned fish, the Mississippi paddlefish ( Polyodon spathula ). The other 16 transcription factor genes we previously validated in paddlefish were expressed in both ampullary organs and neuromasts. Here, we used our published lateral line organ-enriched gene-set (arising from differential bulk RNA-seq in late-larval paddlefish), together with a candidate gene approach, to identify 23 transcription factor genes expressed in the developing lateral line system of a more experimentally tractable chondrostean, the sterlet ( Acipenser ruthenus , a small sturgeon), and/or that of paddlefish. Twelve are expressed in both ampullary organs and neuromasts, consistent with conservation of molecular mechanisms. Six are electrosensory-restricted on the head (Irx5 , Insm1 , Sp5 , Satb2 , MafA and Rorc ), and five are the first-reported mechanosensory-restricted transcription factor genes ( Foxg1 , Sox8 , Isl1 , Hmx2 and Rorb ). However, as previously reported, Sox8 is expressed in ampullary organs as well as neuromasts in a shark ( Scyliorhinus canicula ), suggesting the existence of lineage-specific differences between cartilaginous and ray-finned fishes. Overall, our results support the hypothesis that ampullary organs and neuromasts develop via largely conserved transcriptional mechanisms, and identify multiple transcription factors potentially involved in the formation of electrosensory versus mechanosensory lateral line organs.

Abstract Background Common carp is the fourth most-produced species in worldwide aquaculture. Significant efforts are invested in breeding and preservation of genetic integrity of this important species. However, maintaining carp gene bank in situ can be considered as demanding due to its big body size. Recent progress in reproductive biotechnologies in fish allows improving some unfavourable characteristics of a target species using surrogate reproduction. Germ stem cells (gamete precursors) from one species are transplanted into different surrogate species with small body size. After maturation, surrogates are producing donor-derived progeny. Efficient protocols for cryopreservation of carp male and female germ stem cells have been developed lately. Thus, the next logical goal was to assess the potential of goldfish surrogate to produce donor-derived gametes of common carp after intraperitoneal transplantation of testicular cells. Results High transplantation success was achieved when 44% of the surviving goldfish produced pure donor-derived gametes of common carp. More importantly, both viable eggs and sperm giving rise to pure common carp progeny were produced, witnessing sustainability of the presented method. Donor-derived identity of the offspring was confirmed by genotyping and typical phenotype corresponding to the donor species. Reproductive performance of chimeras was similar to goldfish controls. Assessment of gamete characteristics showed that the size of donor-derived eggs is between control carp and goldfish eggs. Interestingly, flagellum length in donor-derived spermatozoa was comparable to common carp flagellum and significantly shorter than goldfish flagellum. Conclusions In this study, we succeeded in the production of pure common carp progeny from surrogate goldfish recipients transplanted intraperitoneally by testicular germ cells. Here we reported production of viable eggs between most distant species up to date. Good reproductive performance of goldfish germline chimeras gives a promising prospect for further analysis about the long-term reproductive performance of surrogates, recovery of cryopreserved germ cells or production of monosex stocks. Presented technology is ready to ease needs for carp breeds preservation and their recovery using many times smaller goldfish surrogates.

Abstract The lateral line system enables all fishes and aquatic-stage amphibians to detect local water movement via mechanosensory hair cells in neuromasts, and many species to detect weak electric fields via electroreceptors (modified hair cells) in ampullary organs. Both neuromasts and ampullary organs develop from lateral line placodes. However, the molecular mechanisms underpinning ampullary organ formation are understudied relative to neuromasts, as the ancestral lineages of zebrafish (teleosts) and Xenopus (frogs) independently lost electroreception. We identified Bmp5 as a promising candidate via differential RNA-seq in an electroreceptive ray-finned fish, the Mississippi paddlefish ( Polyodon spathula ; Modrell et al., 2017, eLife 6: e24197). In an experimentally tractable relative, the sterlet sturgeon ( Acipenser ruthenus ), we found that Bmp5 and four other Bmp pathway genes are expressed in the developing lateral line, and that Bmp signalling is active. Furthermore, CRISPR/Cas9-mediated mutagenesis targeting Bmp5 in G0-injected sterlet embryos resulted in fewer ampullary organs. Conversely, when Bmp signalling was inhibited by DMH1 treatment shortly before the formation of ampullary organ primordia, supernumerary ampullary organs developed. These data suggest that Bmp5 promotes ampullary organ development, whereas Bmp signalling via another ligand(s) prevents their overproduction. Taken together, this demonstrates two opposing roles for Bmp signalling during ampullary organ formation.

Abstract In electroreceptive jawed fishes and amphibians, individual lateral line placodes form lines of neuromasts on the head containing mechanosensory hair cells, flanked by fields of ampullary organs containing electroreceptors - modified hair cells that respond to weak electric fields. Extensively shared gene expression suggests that conserved molecular mechanisms are involved in their development, but a few transcription factor genes are restricted either to the developing electrosensory or mechanosensory lateral line. Here, we used CRISPR/Cas9-mediated mutagenesis in F0-injected sterlet embryos ( Acipenser ruthenus , a sturgeon) to test the function of three such genes. We found that the ‘hair cell’ transcription factor gene Atoh1 is required for both hair cell and electroreceptor differentiation in sterlet, and for Pou4f3 and Gfi1 expression in both neuromasts and ampullary organs. These data support the conservation of developmental mechanisms between hair cells and electroreceptors. Targeting ampullary organ-restricted Neurod4 did not yield any phenotype, potentially owing to redundancy with other Neurod genes that we found to be expressed in sterlet ampullary organs. After targeting mechanosensory-restricted Foxg1 , ampullary organs formed within neuromast lines, suggesting that Foxg1 normally represses their development. We speculate that electrosensory organs may be the ‘default’ fate of lateral line primordia in electroreceptive vertebrates.

Abstract Asymmetrical localization of biomolecules inside the egg, results in uneven cell division and establishment of many biological processes, cell types and the body plan. However, our knowledge about evolutionary conservation of localized mRNAs is still limited to a few candidates. Our goal was to compare localization profiles along the animal-vegetal axis of mature eggs from four models, Xenopus laevis , Danio rerio , Ambystoma mexicanum and Acipenser ruthenus using the spatial expression method called TOMO-Seq. We revealed that RNAs of many known important genes such as germ layer determinants, germ plasm factors and members of key signalling pathways, are localized in completely different profiles among the models. There was also a poor correlation between vegetally localized genes but a relatively good correlation between animally localized genes. These findings indicate that the regulation of embryonic development within the animal kingdom is highly diverse and cannot be deduced based on a single model.

ABSTRACT Surrogate reproduction technology in fish has potential for aquaculture as well as endangered species preservation and propagation. Species with some unfavourable biological characteristics for culturing such as a late maturation or a large body size are ideal candidates for surrogate reproduction using smaller and faster-maturing host. One of the general prerequisites for the successful surrogacy and the pure donor-derived gamete production is the sterility of the host. Various sterilization methods have been developed and used in fish surrogacy; however, a direct comparison of available methods is missing. Such a knowledge gap hinders choice for the surrogate in various fish species, including those in high commercial demand such as tuna or sturgeons, where is a particular limitation from the point of the live material availability and difficulty to perform a high throughput assessment of different surrogates. Yet, large sturgeons or tuna species are one of the most prominent candidates for surrogacy. Zebrafish was utilized in this study as a model species to answer whether and to which extent different sterilization strategies can affect the surrogacy. Germ cell-depleted recipients (produced using knockdown of dead end gene), triploid recipients, and zebrafish x pearl danio hybrid recipients were tested as they represent the most frequently used types of surrogates. Spermatogonia isolated from vas::EGFP transgenic strain were intraperitoneally transplanted into swim-up 5-day old zebrafish. Transplantation success, survival, gonadal development, and reproductive output of the fish was analyzed. Germ cell-depleted recipients with empty gonads were identified as the most convenient among tested sterilization methods considering surrogacy induction success and reproductive output. The present study stands as significant aid for selecting suitable surrogates in various fish species.

Embryo development is regulated by numerous interconnected pathways that direct cell fate, differentiation, and genetic stability. During development, these pathways can be altered by exogenous factors, such as pollutants, or endogenous factors, such as replication stress. Ataxia telangiectasia mutated (Atm) and ataxia telangiectasia and Rad3-related (Atr) kinases play critical roles in regulating the cell cycle, the DNA damage response (DDR), DNA repair, checkpoint activation, and apoptosis. In cells with damaged DNA, these kinases can slow the cell cycle to provide the necessary time and ability for DNA repair. In this study, we investigated the roles of Atm and Atr in embryo development and DDR in the sterlet (Acipenser ruthenus). Sterlets belong to the Acipenseridae family, one of the most threatened groups of species. Thus, understanding their genetics, biology, embryogenesis, and conservation is crucial. Furthermore, the sterlet is a significant aquaculture species that represents an intriguing model for studying polyploidy and genome plasticity. In our research, we examined the effects of chemical inhibition of Atm and Atr on sterlet embryo development in the absence and presence of the genotoxicant camptothecin (CPT). Our findings indicated that in the absence of genotoxic challenge, Atr autophosphorylation increases between 1 and 3 days post-fertilization (dpf) and decreases by 5 dpf, illustrating the involvement of Atr in the response to replication stress in rapidly differentiating tissues during the early stages of embryo development. Conversely, Atm inhibition was associated with a dose-dependent reduction in embryo viability, highlighting its importance in normal embryo development. When sterlet embryos were exposed to CPT, both Atm and Atr were involved in DDR and the activation of apoptosis. Notably, when both kinases were inhibited simultaneously, the embryos lost their ability to induce apoptosis and mitigate DNA damage, resulting in 100% embryonic mortality. These results suggest that Atm and Atr have distinct functions during normal embryo development, but they can partially complement each other in DDR.

In vertebrates, maternally supplied yolk is typically used in one of two ways: either intracellularly by endodermal cells or extracellularly via the yolk sac. This study delves into the distinctive gut development in sturgeons, which are among the most ancient extant fish groups, contrasting it with that of other vertebrates. Our observations indicate that while sturgeon endodermal cells form the archenteron (i.e., the primitive gut) dorsally, the floor of the archenteron is uniquely composed of extraembryonic yolk cells (YCs). As development progresses, during neurulation, the archenteric cavity inflates, expands laterally, and roofs a semicircle of YCs. By the pharyngula stage, the cavity fully encompasses the YC mass, which begins to be digested at the hatching stage. This suggests a notable deviation in sturgeon gut development from that in other vertebrates, as their digestive tract initiates its function by processing endogenous nutrition even before external feeding begins. Our findings highlight the evolutionary diversity of gut development strategies among vertebrates and provide new insights into the developmental biology of sturgeons.