紫花苜蓿(Medicago sativa L.)是最重要的优良牧草之一。在我国,紫花苜蓿在冬春季节时常遭遇冻害,严重影响了紫花苜蓿的种植和推广。前人研究表明,冬季水分状况对紫花苜蓿越冬有重要影响,但相关机理仍不清楚。为此,本研究分别模拟紫花苜蓿的抗寒锻炼期和冬季休眠期的水分状况,以及返青期的温度骤降,对紫花苜蓿的越冬机理及其品种差异进行试验研究,取得如下主要结果。1.在土壤冷冻前的冷适应阶段,选择紫花苜蓿“WL353LH”,设置80%和25%最大持水量两个水分处理,温度从24/20℃(昼/夜)逐渐降低到4/0℃(昼/夜)、再到-2/-6℃(昼/夜),温度变化过程中监测紫花苜蓿根颈低温半致死温度的变化。结果表明,与充分浇水处理(80%)相比,水分亏缺处理(25%)显著提高了紫花苜蓿的抗寒性。生化指标测定和代谢组学分析表明,水分亏缺处理提高了根颈内总可溶性糖、氨基酸类(如脯氨酸、脯氨酸甜菜碱)、脂类和类脂分子(如:脂肪酸,不饱和脂肪酸,甘油磷脂)的含量,相关代谢通路得到加强。KEGG富集分析发现,18条显著富集的代谢通路涉及到糖类、不饱和脂肪酸、氨基酸和甘油磷脂的合成/代谢,这些物质是重要的渗透调节剂和冷冻保护剂,还涉及细胞膜的合成、流动和稳定。根颈内物质含量的提高以及相关代谢通路所涉及到的物质合成/代谢,与水分亏缺处理中紫花苜蓿抗寒能力的提高有关。2.在土壤冷冻后的冷冻阶段,选择“WL440HQ”和“肇东”,75%最大持水量下充分冷适应(4/0℃,昼/夜,1周),而后将一半样品的表土更换为烘干的沙土,另一半保持75%最大持水量,再在-2℃低温冷冻(无光照),模拟紫花苜蓿越冬的冻干环境和正常冷冻。结果表明,与“肇东”苜蓿相比,“WL440HQ”根颈在冷适应结束时甜菜碱和可溶性糖(总可溶性糖、蔗糖、果糖、半乳糖和水苏糖)等渗透调节物质的含量较低,在随后的冻干环境中,其根颈失水速率较快,细胞液相对渗透率加大,导致细胞受到无法修复的损伤,严重影响“WL440HQ”苜蓿根颈的抗寒能力。相比之下,冻干环境对肇东苜蓿的影响并不显著。3.在紫花苜蓿对骤然降温的响应试验中,在冷适应前和退适应后进行两次骤然降温处理(18℃~2℃),调查“WL440HQ”和“肇东”苜蓿对此处理的响应。与“WL440HQ”相比,“肇东”苜蓿在骤然降温环境下,GaS和StaS基因表达量快速提高,棉子糖和水苏糖快速积累,其抗寒能力提高的更快,以此应对不利的环境条件。因此,骤然降温对肇东苜蓿的影响更低。本研究将为紫花苜蓿越冬水分管理及骤然降温高发区紫花苜蓿种植品种的选择提供理论参考,也为提出有效的管理措施来降低骤然降温对紫花苜蓿的伤害奠定基础。