Mapping the vertebrate developmental landscape As embryos develop, numerous cell types with distinct functions and morphologies arise from pluripotent cells. Three research groups have used single-cell RNA sequencing to analyze the transcriptional changes accompanying development of vertebrate embryos (see the Perspective by Harland). Wagner et al. sequenced the transcriptomes of more than 90,000 cells throughout zebrafish development to reveal how cells differentiate during axis patterning, germ layer formation, and early organogenesis. Farrell et al. profiled the transcriptomes of tens of thousands of embryonic cells and applied a computational approach to construct a branching tree describing the transcriptional trajectories that lead to 25 distinct zebrafish cell types. The branching tree revealed how cells change their gene expression as they become more and more specialized. Briggs et al. examined whole frog embryos, spanning zygotic genome activation through early organogenesis, to map cell states and differentiation across all cell lineages over time. These data and approaches pave the way for the comprehensive reconstruction of transcriptional trajectories during development. Science , this issue p. 981 , p. eaar3131 , p. eaar5780 ; see also p. 967

Continuing the resolution revolution The living cell contains dynamic, spatially complex subassemblies that are sensitive to external perturbations. To minimize such perturbations, cells should be imaged in their native multicellular environments, under as gentle illumination as possible. However, achieving the spatiotemporal resolution needed to follow three-dimensional subcellular processes in detail under these conditions is challenging: Sample-induced aberrations degrade resolution and sensitivity, and high resolution usually requires intense excitation. Liu et al. combined noninvasive lattice light-sheet microscopy with aberration-correcting adaptive optics to study a variety of delicate subcellular events in vivo, including organelle remodeling during mitosis and growth cone dynamics during spinal cord development. Science , this issue p. eaaq1392

To enable robust patterning, morphogen systems should be resistant to variations in gene expression and tissue size. Here we explore how a Shh morphogen gradient in the ventral neural tube enables proportional patterning in embryos of varying sizes. Using a surgical technique to reduce the size of zebrafish embryos and quantitative confocal microscopy, we find that patterning of neural progenitors remains proportional after size reduction. Intriguingly, a protein necessary for Shh release, Scube2, is expressed far from the source of sonic hedgehog production. scube2 expression levels control Shh signaling extent during ventral neural patterning and conversely Shh signaling represses the expression of scube2, thereby restricting its own signaling. scube2 is disproportionately downregulated in size-reduced embryos, providing a potential mechanism for size-dependent regulation of Shh. This regulatory feedback is necessary for pattern scaling, as demonstrated by a loss of scaling in scube2 overexpressing embryos. In a manner akin to the expander-repressor model of morphogen scaling, we conclude that feedback between Shh signaling and scube2 expression enables proportional patterning in the ventral neural tube by encoding a tissue size dependent morphogen signaling gradient.

True physiological imaging of subcellular dynamics requires studying cells within their parent organisms, where all the environmental cues that drive gene expression, and hence the phenotypes we actually observe, are present. A complete understanding also requires volumetric imaging of the cell and its surroundings at high spatiotemporal resolution without inducing undue stress on either. We combined lattice light sheet microscopy with two-channel adaptive optics to achieve, across large multicellular volumes, noninvasive aberration-free imaging of subcellular processes, including endocytosis, organelle remodeling during mitosis, and the migration of axons, immune cells, and metastatic cancer cells in vivo. The technology reveals the phenotypic diversity within cells across different organisms and developmental stages, and may offer insights into how cells harness their intrinsic variability to adapt to different physiological environments.

Little is known about how the sizes of animal tissues are controlled. A prominent example is somite size which varies widely both within an individual and across species. Despite intense study of the segmentation clock governing the timing of somite generation, how it relates to somite size is poorly understood. Here we examine somite scaling and find that somite size at specification scales with the length of the presomitic mesoderm (PSM) despite considerable variation in PSM length across developmental stages and in surgically size-reduced embryos. Measurement of clock period, axis elongation speed, and clock gene expression patterns demonstrate that existing models fail to explain scaling. We posit a "clock and scaled gradient" model, in which somite boundaries are set by a dynamically scaling signaling gradient across the PSM. Our model not only explains existing data, but also makes a unique prediction that we experimentally confirm-the formation of periodic "echoes" in somite size following perturbation of the size of one somite. Our findings demonstrate that gradient scaling plays a central role both in progression and size control of somitogenesis.