ABSTRACT Aim To identify temperatures at which cell division and differentiation are active in order to verify the existence of a common critical temperature determining growth in conifers of cold climates. Location Ten European and Canadian sites at different latitudes and altitudes. Methods The periods of cambial activity and cell differentiation were assessed on a weekly time‐scale on histological sections of cambium and wood tissue collected over 2 to 5 years per site from 1998 to 2005 from the stems of seven conifer species. All data were compared with daily air temperatures recorded from weather stations located close to the sites. Logistic regressions were used to calculate the probability of xylogenesis and of cambium being active at a given temperature. Results Xylogenesis lasted from May to October, with a growing period varying from 3 to 5 months depending on location and elevation. Despite the wide geographical range of the monitored sites, temperatures for onset and ending of xylogenesis converged towards narrow ranges with average values around 4–5, 8–9 and 13–14 °C for daily minimum, mean and maximum temperature, respectively. On the contrary, cell division in the cambium stopped in July−August, when temperatures were still high. Main conclusions Wood formation in conifers occurred when specific critical temperatures were reached. Although the timing and duration of xylogenesis varied among species, sites and years, the estimated temperatures were stable for all trees studied. These results provide biologically based evidence that temperature is a critical factor limiting production and differentiation of xylem cells in cold climates. Although daily temperatures below 4−5 °C are still favourable for photosynthesis, thermal conditions below these values could inhibit the allocation of assimilated carbon to structural investment, i.e. xylem growth.

Detailed analyses of cambium activity and wood formation during growth need repeated sampling of newly formed xylem. In order to be minimally invasive, wood samples are extracted as microcores. Despite the research done on xylem cell development and the increasing interest in intra-annual studies of xylogenesis, few tools are available for microcore sampling. Methods originally designed for other purposes have often been used, but no details are available on their efficiency and usefulness. Information is also lacking on laboratory preparation techniques for cell analysis of tree-ring formation, leading to difficulties in carrying out these experiments. The advantages and limits of the tools used up to now are described. A new tool, named Trephor (patent pending n° PD2004A000324), specifically designed for long-lasting use is presented. Trephor is chisel-shaped for a fast recovery of 2 mm diameter microcores. The cutting tube is inserted into the wood using a hammer and no other accessory is required. Simple technical characteristics allow high quality samples to be collected from both softwood and hardwood species with minimum damage to the sampled trees. Trephor was tested during the 2004 growing season, demonstrating good resistance to wear and tear and mechanical stress. Embedding the microcores in paraffin for fast section preparation is described.

Intra-annual radial growth rates and durations in trees are reported to differ greatly in relation to species, site and environmental conditions. However, very similar dynamics of cambial activity and wood formation are observed in temperate and boreal zones. Here, we compared weekly xylem cell production and variation in stem circumference in the main northern hemisphere conifer species (genera Picea, Pinus, Abies and Larix) from 1996 to 2003. Dynamics of radial growth were modeled with a Gompertz function, defining the upper asymptote (A), x-axis placement (beta) and rate of change (kappa). A strong linear relationship was found between the constants beta and kappa for both types of analysis. The slope of the linear regression, which corresponds to the time at which maximum growth rate occurred, appeared to converge towards the summer solstice. The maximum growth rate occurred around the time of maximum day length, and not during the warmest period of the year as previously suggested. The achievements of photoperiod could act as a growth constraint or a limit after which the rate of tree-ring formation tends to decrease, thus allowing plants to safely complete secondary cell wall lignification before winter.

Wood is the main terrestrial biotic reservoir for long-term carbon sequestration(1), and its formation in trees consumes around 15% of anthropogenic carbon dioxide emissions each year(2). However, the seasonal dynamics of woody biomass production cannot be quantified from eddy covariance or satellite observations. As such, our understanding of this key carbon cycle component, and its sensitivity to climate, remains limited. Here, we present high-resolution cellular based measurements of wood formation dynamics in three coniferous forest sites in northeastern France, performed over a period of 3 years. We show that stem woody biomass production lags behind stem-girth increase by over 1 month. We also analyse more general phenological observations of xylem tissue formation in Northern Hemisphere forests and find similar time lags in boreal, temperate, subalpine and Mediterranean forests. These time lags question the extension of the equivalence between stem size increase and woody biomass production to intra-annual time scales(3, 4, 5, 6). They also suggest that these two growth processes exhibit differential sensitivities to local environmental conditions. Indeed, in the well-watered French sites the seasonal dynamics of stem-girth increase matched the photoperiod cycle, whereas those of woody biomass production closely followed the seasonal course of temperature. We suggest that forecasted changes in the annual cycle of climatic factors(7) may shift the phase timing of stem size increase and woody biomass production in the future.

Xylogenesis was monitored during 2003 and 2004 in a timberline environment in southern Italy to assess links between temperature, cambial phenology and wood formation on a short-time scale. Wood microcores were collected weekly from May to October from 10 trees of Pinus leucodermis Ant., histological sections were cut with a rotary microtome and anatomical features of the developing and mature tracheids were observed and measured along the growing tree ring. Spring 2003 was hotter than spring 2004, with temperatures up to 2.6 °C above historical means. The hotter conditions resulted in an earlier onset of cambial activity and all differentiation phases of about 20 days, resulting in an increased duration of xylogenesis of about 23 days. Air and stem temperatures at which xylogenesis had a 0.5 probability of being active were calculated with logistic regressions fitted on binary responses. In both years, similar thresholds were estimated with daily mean values of 8.2 and 9.5 °C for air and stem temperatures, respectively. The observed convergent responses of cambium phenology to temperature during the two contrasting springs confirm the key role of this environmental factor in determining the onset and duration of wood formation in timberline areas. The intra-annual dynamics of ring-width increase differed between years, with significantly narrower rings formed in 2004 than in 2003. These differences were mainly related to cell size because larger earlywood tracheids were produced in 2003. This study demonstrates the plasticity of tree-ring formation in response to high temperatures as a result of modifications in the onset and duration of differentiation.

Phenological responses of vegetation to climate, in particular to the ongoing warming trend, have received much attention. However, divergent results from the analyses of remote sensing data have been obtained for the Tibetan Plateau (TP), the world's largest high-elevation region. This study provides a perspective on vegetation phenology shifts during 1960-2014, gained using an innovative approach based on a well-validated, process-based, tree-ring growth model that is independent of temporal changes in technical properties and image quality of remote sensing products. Twenty composite site chronologies were analyzed, comprising about 3,000 trees from forested areas across the TP. We found that the start of the growing season (SOS) has advanced, on average, by 0.28 d/y over the period 1960-2014. The end of the growing season (EOS) has been delayed, by an estimated 0.33 d/y during 1982-2014. No significant changes in SOS or EOS were observed during 1960-1981. April-June and August-September minimum temperatures are the main climatic drivers for SOS and EOS, respectively. An increase of 1 °C in April-June minimum temperature shifted the dates of xylem phenology by 6 to 7 d, lengthening the period of tree-ring formation. This study extends the chronology of TP phenology farther back in time and reconciles the disparate views on SOS derived from remote sensing data. Scaling up this analysis may improve understanding of climate change effects and related phenological and plant productivity on a global scale.

The interaction between xylem phenology and climate assesses forest growth and productivity and carbon storage across biomes under changing environmental conditions. We tested the hypothesis that patterns of wood formation are maintained unaltered despite the temperature changes across cold ecosystems. Wood microcores were collected weekly or biweekly throughout the growing season for periods varying between 1 and 13 years during 1998-2014 and cut in transverse sections for assessing the onset and ending of the phases of xylem differentiation. The data set represented 1321 trees belonging to 10 conifer species from 39 sites in the Northern Hemisphere and covering an interval of mean annual temperature exceeding 14 K. The phenological events and mean annual temperature of the sites were related linearly, with spring and autumnal events being separated by constant intervals across the range of temperature analysed. At increasing temperature, first enlarging, wall-thickening and mature tracheids appeared earlier, and last enlarging and wall-thickening tracheids occurred later. Overall, the period of wood formation lengthened linearly with the mean annual temperature, from 83.7 days at -2 °C to 178.1 days at 12 °C, at a rate of 6.5 days °C-1 . April-May temperatures produced the best models predicting the dates of wood formation. Our findings demonstrated the uniformity of the process of wood formation and the importance of the environmental conditions occurring at the time of growth resumption. Under warming scenarios, the period of wood formation might lengthen synchronously in the cold biomes of the Northern Hemisphere.

Abstract Under global warming, advances in spring phenology due to the rising temperature have been widely reported. However, the physiological mechanisms underlying the warming-induced earlier spring phenology remain poorly understood. Here, using multiple long-term and large-scale phenological datasets between 1951 and 2018, we show that warmer temperatures during the previous growing season between May and September led to earlier spring phenology in the Northern Hemisphere. We also found that warming-induced increases in maximum photosynthetic rate in the previous year advanced spring phenology, with an average of 2.50 days °C -1 . Furthermore, we found a significant decline in the advancing effect of warming during the previous growing season on spring phenology from cold to warm periods over the past decades. Our results suggest that the observed warming-induced earlier spring phenology may be driven by increased photosynthetic carbon assimilation in the previous season, while the slowdown in the advanced spring phenology arise likely from decreased carbon assimilation when warming exceeding the optimal temperatures for photosynthesis. Our study highlights the vital role of photosynthetic carbon assimilation during growing season in spring phenology under global warming.

Summary Shifts in plant phenology under ongoing warming affect global vegetation dynamics and carbon assimilation of the biomes. The response of leaf senescence to climate is crucial for predicting changes in the physiological processes of trees at ecosystem scale. We used long-term ground observations, phenological metrics derived from PhenoCam, and satellite imagery of the Northern Hemisphere to show that the timings of leaf senescence can advance or delay in case of warming occurring at the beginning (before June) or during (after June) the main growing season, respectively. Flux data demonstrated that net photosynthetic carbon assimilation converted from positive to negative at the end of June. These findings suggest that leaf senescence is driven by carbon assimilation and nutrient resorption at different growth stages of leaves. Our results provide new insights into understanding and modelling autumn phenology and carbon cycling under warming scenarios.