本文发表于Plant Physiology期刊（2002年8月，第129卷，1633-1641页），旨在探讨冷驯化（cold acclimation）在温带木本植物中的具体机制，研究重点是通过短日照（short photoperiod, SD）和低温（low temperature, LT）对混合山杨（hybrid aspen, Populus tremula × Populus tremuloides）进行冷驯化的独立激活途径。本文的主要作者包括A. Welling、T. Moritz、E. Tapio Palva及O. Junttila，分别来自赫尔辛基大学、瑞典农业科学院及挪威特罗姆瑟大学。
冷驯化是植物在应对低温条件时的一种适应机制，尤其在温带木本植物中尤为重要，因为这些植物需面对极端的温度与光照变化。与草本植物相比，木本植物具有更复杂的冻害耐受机制，通常经历由短日照诱导的第一阶段冷驯化，继而由更加寒冷的低温进一步诱导第二及第三阶段驯化。本研究着眼于冷驯化的分子层面，旨在明确光敏色素A（phytochrome A, PHY-A）的作用及脱水蛋白（dehydrins, DHN）和脱落酸（abscisic acid, ABA）在不同诱因下的响应。
过去的研究已经表明，光敏色素是植物通过光周期信号调控生理和发育的重要光受体。尤其在木本植物中，PHY-A直接参与了光周期冷驯化的感知，同时低温诱导的冷驯化却可能由其他独立机制介导。但对木本植物这种复合适应机制的研究相对稀缺。因此，本文通过研究SD和LT分别对PHY-A基因过表达以及野生型山杨的独立作用，为冷驯化过程提供更深入的理解。
研究通过以下流程系统地展开实验：
研究选择了三类材料：分别为野生型（WT）混合山杨和两个过表达燕麦PHY-A基因的转基因山杨系22（高表达）及系8（极低表达）。在控制环境下，植株通过组织培养法繁殖，并在16小时长日（LD，18°C）光周期条件下培育至实验阶段。之后，植株被分为两组：一组暴露于SD（10小时日照，18°C）条件，另一组则在对应光周期条件下接受低温处理（0.5°C）。
研究根据日长度和温度的处理对植株的生长特性（如停滞生长与顶芽形成）进行全面追踪。通过定期测量植株的高度增长率以及顶芽的发育状态评估冷驯化的进展。
通过测量叶芽和各节间的水含量，探讨了组织脱水与冷驯化之间的关系。脱水程度通过鲜重和干重的差异计算，并关联到耐寒能力。
植株的叶片与茎段分别在不同冷冻温度（-1.5°C~-17°C）条件下进行耐受性测试。数据以组织细胞膜的电解质泄漏百分比（LT50）作为衡量标准。
利用Northern blot对转基因及WT山杨在SD和/或LT背景下的DHN基因表达进行检测。实验使用了C. plantagineum多样本与融合蛋白的探针，分析特定脱水蛋白的表达模式。
通过气相色谱-质谱联用技术对30 mg干重芽样本中的ABA含量进行定量检测，分析SD及LT下ABA水平在不同基因型间的动态变化。
在SD条件下，WT及系8表现出停止生长和顶芽形成，但系22植株在SD下仍持续生长且未形成顶芽。不同于光周期诱导表现，LT（4°C）直接阻止了所有植株的茎增生，但未引发顶芽发育。这表明SD和LT分别通过不同机制诱导冷驯化。
WT和系8在SD处理后显著降低了节间和顶芽的水含量，而系22展示出不显著的脱水水平。此外，如果植物先接受5周的SD处理再转移至LT，其进一步脱水被抑制，表明脱水机制主要由SD调控且与PHY-A相关。
SD触发的冷驯化显著提高了WT及系8植株茎组织的耐冻能力，但系22在SD条件下无法获得冻结耐受性。而直接在LT背景下，所有系（包括系22）均表现出一定程度的冷驯化能力，特别是叶片耐冻性显著增加。
DHN基因在SD和LT条件下分别被独立诱导。在WT和系8中，SD诱导DHN基因逐渐表达，而在LT下，DHN基因表达水平迅速上升，并在所有基因型（包括系22）中均得到积累。
WT及系8芽中在LD下的ABA含量显著高于SD条件，而系22的ABA水平在两种光周期下无显著变化。LT诱导了所有系ABA水平的短期升高，但持续LT处理后，ABA含量逐渐下降。这表明SD和LT分别通过不同机制调控ABA水平，而系22仅对温度信号表现正常响应。
本研究通过转基因模型明确表明SD和LT信号通过独立路径激活冷驯化。PHY-A在光周期诱导冷驯化中起关键作用，而冷驯化的低温路径独立于此。通过结合解水蛋白和ABA的表达模式，研究进一步揭示了组织脱水及冷驯化相关分子标志物在植物应对低温胁迫中的功能。此外，新发现的独立诱导路径在气候适应性育种中具有潜在应用价值，如增加温带木本植物的耐寒性。
通过这项研究，科学家进一步理解了木本植物在极端环境下的分子应对策略，为植物抗寒育种和气候变化适应性研究奠定了重要基础。