Cold hardiness mechanisms and modeling: existing approaches and future avenues

Abstract

International audienceCold hardiness models are useful tools to predict cold damage in plants, such as those produced by unseasonal temperature cycles or by increased cold exposure. Although development of these models started about five decades ago, their applications remain limited. We describe the main paradigms driving the different types of cold hardiness models (empirical to process-based), their similarities and differences. Among the existing paradigms, process-based models are built to translate physiological mechanisms into mathematical functions over a broad range of climatic conditions, thus making them more accurate for studying the effect of climate change. Different approaches have been developed in predicting cold hardiness: (1) empirical relationships between temperature and cold hardiness; (2) phenological processes controlling acclimation and deacclimation rates; (3) phenological and physiological processes predicting cold hardiness through the osmo-hydric approach; and (4) molecular regulation driving the metabolic drivers of cold hardiness. For the first three approaches, we describe the context, the experimental and field observations that defined their frameworks as well as their limitations. To increase the realism of cold hardiness models, we describe the potential of a fourth approach, based on the perception of environmental signals, how it translates into cold acclimation/deacclimation and provide recommendations to develop this framework.Les modèles de résistance au froid sont des outils utiles pour prédire les dommages causés par le froid aux plantes, tels que ceux provoqués par des cycles de température inhabituels ou des froids intenses. Bien que ces modèles aient été développés depuis plus de 50 ans, leurs applications restent limitées. Nous décrivons les principaux paradigmes des différents types de modèles de résistance au froid (empiriques ou basés sur des processus), leurs similitudes et leurs différences. Parmi les paradigmes existants, les modèles basés sur des processus sont conçus pour traduire les mécanismes physiologiques en fonctions mathématiques sur un large éventail de conditions climatiques, ce qui les rend plus précis pour étudier les effets du changement climatique. Différentes approches ont été développées pour prédire la résistance au froid: (1) les relations empiriques entre la température et la résistance au froid; (2) les processus phénologiques contrôlant le taux d'acclimatation et de désacclimatation; (3) les processus phénologiques et physiologiques prédisant la résistance au froid par l'approche osmo‐hydrique; et (4) la régulation moléculaire régissant les facteurs métaboliques de la résistance au froid. Pour les trois premières approches, nous décrivons le contexte, les observations expérimentales et de terrain qui ont défini leur cadre ainsi que leurs limites. Afin d'accroître le réalisme des modèles de résistance au froid, nous décrivons le potentiel d'une quatrième approche, basée sur la perception des signaux environnementaux, la manière dont elle se traduit en modulatiion de la résistance au froid, et nous formulons des recommandations pour développer ce cadre