Summary During development, organisms interact with their natural habitats while undergoing morphological changes, yet it remains unclear whether the interplay between developing systems and their environments impacts animal morphogenesis. Here, we use the cnidarian Nematostella vectensis as a developmental model to uncover a mechanistic link between organism size, shape and behavior. Using quantitative live imaging, including extensive behavioral profiling, combined with molecular and biophysical experiments, we demonstrate that the muscular hydraulic machinery that controls body movement directly drives larva-polyp morphogenesis. Unexpectedly, size and shape development are differentially controlled by antagonistic muscles. A simple theoretical model shows how a combination of slow-priming and fast-pumping pressures generated by muscular hydraulics acts as a global mechanical regulator that coordinates tissue remodeling. Altogether, our findings illuminate how dynamic behavioral modes in the environment can be harnessed to drive morphogenetic trajectories, establishing ethology as a critical component of organismal morphogenesis – termed ethology of morphogenesis.

Abstract Several important questions in biology require non-invasive and three-dimensional imaging techniques with appropriate spatiotemporal resolution that permit live organisms to move in an unconstrained fashion over an extended field-of-view. While selective-plane illumination microscopy (SPIM) has emerged as a powerful method to observe live biological specimens at high spatio-temporal resolution, typical implementations often necessitate constraining sample mounting or lack the required volumetric speed. Here, we report on an open-top, dual-objective oblique plane microscope (OPM) capable of observing millimeter sized, freely moving animals at cellular resolution. We demonstrate the capabilities of our mesoscopic OPM (MesOPM) by imaging the behavioural dynamics of the sea anemone Nematostella vectensis over 1.56 × 1.56 × 0.25 mm at 1.5 × 2.8 × 5.3µm resolution and 0.5Hz volume rate.

Rod photoreceptors of nocturnal mammals display a striking inversion of nuclear architecture, which has been proposed as an evolutionary adaptation to dark environments. However, the nature of visual benefits and underlying mechanisms remains unclear. It is widely assumed that improvements in nocturnal vision would depend on maximization of photon capture, at the expense of image detail. Here we show that retinal optical quality improves 2-fold during terminal development, which, confirmed by a mouse model, happens due to nuclear inversion.We further reveal that improved retinal contrast-transmission, rather than photon-budget or resolution, leads to enhanced contrast sensitivity under low light condition. Our findings therefore add functional significance to a prominent exception of nuclear organization and establish retinal contrast-transmission as a decisive determinant of mammalian visual perception.One Sentence Summary Our study reveals that chromatin compaction in rod cells augments contrast sensitivity in mice.

Mutations in cis-regulatory elements play important roles for phenotypic changes during evolution. Eye degeneration in subterranean mammals is associated with divergence of eye regulatory elements. Here, we investigate the effect of mutations observed in the blind mole rat (BMR) sequence of a conserved non-coding element upstream of Tdrd7, a gene required for lens development and spermatogenesis. We show that this element is a transcriptional repressor in lens cells and that the BMR sequence lost repressor activity. Next, we used CRISPR-Cas9 to precisely replace this regulatory element in mouse by the orthologous BMR sequence. Strikingly, this repressor element has a large effect, causing a two-fold up-regulation of Tdrd7 in developing lens. Interestingly, increased mRNA level does not result in an increase in TDRD7 protein nor an obvious lens phenotype, likely explained by buffering at the posttranscriptional level. Our results are consistent with eye degeneration in subterranean mammals having a polygenic basis.

In cell division, mitosis is the phase in which duplicated sets of chromosomes are mechanically aligned to form the metaphase plate before being segregated in two daughter cells. Irreversibility is a hallmark of this process, despite the fundamental laws of Newtonian mechanics being time symmetric. Here we show experimentally that mitotic chromosomes receive the arrow of time by time-reversal-symmetry breaking of the underlying mechanics in prometaphase. By optically inducing hydrodynamic flows within prophase nuclei, we find that duplicated chromatid pairs initially form a fluid suspension in the nucleoplasm: although showing little motion on their own, condensed chromosomes are free to move through the nucleus in a time-reversible manner. Actively probing chromosome mobility further in time, we find that this viscous suspension of chromatin transitions into a gel after nuclear breakdown. This gel state, in which chromosomes cannot be moved by flows, persists even when chromosomes start moving to form the metaphase plate. Complemented by minimal reconstitution experiments, our active intra-nuclear micro-rheology reveals time-reversal-symmetry breaking of chromosome mechanics to be caused by the transition from a purely fluid suspension into an active gel.