Rapid advance of experimental techniques provides an unprecedented in-depth view into complex developmental processes. Still, little is known on how the complexity of multicellular organisms evolved by elaborating developmental programs and inventing new cell types. A hurdle to understanding developmental evolution is the difficulty of even describing the intertwined network of spatiotemporal processes underlying the development of complex multicellular organisms. Nonetheless, an overview of developmental trajectories can be obtained from cell type lineage maps. Here, we propose that these lineage maps can also reveal how developmental programs evolve: the modes of evolving new cell types in an organism should be visible in its developmental trajectories and therefore in the geometry of its cell type lineage map. This idea is demonstrated using a parsimonious generative model of developmental programs, which allows us to reliably survey the universe of all possible programs and examine their topological features. We find that, contrary to belief, tree-like lineage maps are rare, and lineage maps of complex multicellular organisms are likely to be directed acyclic graphs in which multiple developmental routes can converge on the same cell type. Although cell type evolution prescribes what developmental programs come into existence, natural selection prunes those programs that produce low-functioning organisms. Our model indicates that additionally, lineage map topologies are correlated with such a functional property: the ability of organisms to regenerate.

实验技术的快速发展为复杂的发育过程提供了前所未有的深入视角。尽管如此，对于多细胞生物的复杂性是如何通过精心设计的发育程序和发明新的细胞类型而进化的，我们知之甚少。理解发育进化的一个障碍是难以描述复杂多细胞生物发育背后的时空过程的交织网络。尽管如此，可以从细胞类型谱系图中获得发育轨迹的概述。在这里，我们建议这些谱系图还可以揭示发育程序如何进化：生物体中进化新细胞类型的模式应该在其发育轨迹中可见，因此在其细胞类型谱系图的几何形状中是可见的。这个想法是使用开发程序的简约生成模型来证明的，这使我们能够可靠地调查所有可能程序的宇宙并检查它们的拓扑特征。我们发现，与信念相反，树状谱系图很少见，复杂多细胞生物的谱系图很可能是有向无环图，其中多个发育路线可以汇聚在同一细胞类型上。尽管细胞类型进化规定了哪些发育程序存在，但自然选择会修剪那些产生低功能生物的程序。我们的模型表明，此外，谱系图拓扑与这样的功能特性相关：生物体再生的能力。这使我们能够可靠地调查所有可能程序的宇宙并检查它们的拓扑特征。我们发现，与信念相反，树状谱系图很少见，复杂多细胞生物的谱系图很可能是有向无环图，其中多个发育路线可以汇聚在同一细胞类型上。尽管细胞类型进化规定了哪些发育程序存在，但自然选择会修剪那些产生低功能生物的程序。我们的模型表明，此外，谱系图拓扑与这样的功能特性相关：生物体再生的能力。这使我们能够可靠地调查所有可能程序的宇宙并检查它们的拓扑特征。我们发现，与信念相反，树状谱系图很少见，复杂多细胞生物的谱系图很可能是有向无环图，其中多个发育路线可以汇聚在同一细胞类型上。尽管细胞类型进化规定了哪些发育程序存在，但自然选择会修剪那些产生低功能生物的程序。我们的模型表明，此外，谱系图拓扑与这样的功能特性相关：生物体再生的能力。复杂多细胞生物的谱系图和谱系图可能是有向无环图，其中多个发育路线可以汇聚在同一细胞类型上。尽管细胞类型进化规定了哪些发育程序存在，但自然选择会修剪那些产生低功能生物的程序。我们的模型表明，此外，谱系图拓扑与这样的功能特性相关：生物体再生的能力。复杂多细胞生物的谱系图和谱系图可能是有向无环图，其中多个发育路线可以汇聚在同一细胞类型上。尽管细胞类型进化规定了哪些发育程序存在，但自然选择会修剪那些产生低功能生物的程序。我们的模型表明，此外，谱系图拓扑与这样的功能特性相关：生物体再生的能力。