Cells do not live in a vacuum, but in a milieu defined by cell–cell communication that can be measured via emerging high-resolution spatial transcriptomics approaches. However, analytical tools that fully leverage such data for kinetic modeling remain lacking. Here we present Spateo ( aristoteleo/spateo-release ), a general framework for quantitative spatiotemporal modeling of single-cell resolution spatial transcriptomics. Spateo delivers novel methods for digitizing spatial layers/columns to identify spatially-polar genes, and develops a comprehensive framework of cell-cell interaction to reveal spatial effects of niche factors and cell type-specific ligand-receptor interactions. Furthermore, Spateo reconstructs 3D models of whole embryos, and performs 3D morphometric analyses. Lastly, Spateo introduces the concept of “morphometric vector field” of cell migrations, and integrates spatial differential geometry to unveil regulatory programs underlying various organogenesis patterns of Drosophila. Thus, Spateo enables the study of the ecology of organs at a molecular level in 3D space, beyond isolated single cells.

Objective Rhizosphere microorganisms play crucial roles in the growth and development of plants, disease resistance, and environmental adaptability. As the only wild pepper variety resource in China, domesticated Capsicum frutescens Linn. (Xiaomila) exhibits varying beneficial traits and affects rhizosphere microbial composition compared with its wild counterparts. In this study, we aimed to identify specific rhizosphere microbiome and metabolism patterns established during the domestication process. Methods The rhizosphere microbial diversity and composition of domesticated and wild C. frutescens were detected and analyzed by metagenomics. Non-targeted metabolomics were used to explore the differences of metabolites in rhizosphere soil between wild and domesticated C. frutescens . Results We found that the rhizosphere microbial diversity of domesticated variety was significantly different from that of the wild variety, with Massilia being its dominant bacteria. However, the abundance of certain beneficial microbes such as Gemmatimonas, Streptomyces, Rambibacter, and Lysobacter decreased significantly. The main metabolites identified in the wild variety included serylthreonine, deoxyloganic acid, vitamin C, among others. In contrast, those identified in the domesticated group were 4-hydroxy- l -glutamic acid and benzoic acid. Furthermore, the differentially enriched pathways were concentrated in tyrosine and tryptophan biosynthesis, histidine and purine-derived alkaloids biosynthesis, benzoic acid family, two-component system, etc. Conclusion This study revealed that C. frutescens established specific rhizosphere microbiota and metabolites during domestication, which has important significance for the efficient utilization of beneficial microorganisms in breeding and cultivation practices.

Over the last decade, the rapid development of high-throughput sequencing platforms has accelerated species description and assisted morphological classification through DNA barcoding. However, constraints in barcoding costs led to unbalanced efforts which prevented accurate taxonomic identification for biodiversity studies. We present a high throughput sequencing approach based on the HIFI-SE pipeline which takes advantage of Single-End 400 bp (SE400) sequencing data generated by BGISEQ-500 to produce full-length Cytochrome c oxidase subunit I (COI) barcodes from pooled polymerase chain reaction amplicons. HIFI-SE was written in Python and included four function modules of filter, assign, assembly and taxonomy. We applied the HIFI-SE to a test plate which contained 96 samples (30 coral, 64 insects and 2 blank controls) and delivered a total of 86 fully assembled HIFI COI barcodes. By comparing to their corresponding Sanger sequences (72 sequences available), it showed that most of the samples (98.61%, 71/72) were correctly and accurately assembled, including 46 samples that had a similarity of 100% and 25 of ca. 99%. Our approach can produce standard full-length barcodes cost efficiently, allowing DNA barcoding for global biomes which will advance DNA-based species identification for various ecosystems and improved quarantine biosecurity efforts.