紫花苜蓿主要种植在我国北方地区,在传统种植地区经常遭遇冷害冻害,低温胁迫影响着紫花苜蓿的生长发育以及生产力的发挥,紫花苜蓿品种抗寒机理的基础性研究对抗寒品种选育及其生产实践指导至关重要。紫花苜蓿的抗寒性由环境因子和自身的遗传因素共同决定,秋季的冷适应和越冬耐寒过程是其主要的抗寒过程。近年来,对紫花苜蓿抗寒性研究主要集中于冰点以上的冷胁迫对其生理及分子机制的响应和调控。因此,本研究以紫花苜蓿自然越冬过程为背景,分析不同紫花苜蓿品种形态特征指标与越冬率的关系,比较其根部和根颈中主要抗寒生理指标在越冬过程中的变化情况,并研究紫花苜蓿在冷适应过程中相关生理过程的变化情况,利用二代转录组测序和液相色谱质谱非靶向代谢组学技术方法,从转录和代谢水平探讨经冷适应的紫花苜蓿在抗冻阶段相关抗寒基因和关键代谢物的变化情况,挖掘相关抗寒基因,寻找关键调控网络,从形态特征、生理生化过程和转录代谢水平,系统研究紫花苜蓿的抗寒机制。主要研究结果如下:（1）紫花苜蓿越冬率与其总根长、总根表面积、主根平均直径、总根体积、根尖数、分叉数、根颈入土深度、单株地上生物量、株高等形态指标相关,土壤解冻时根颈、根部的脯氨酸含量以及越冬初期根颈可溶性糖含量与越冬率正相关;经主成分分析,紫花苜蓿根系特征（总根表面积、分叉数、总根长、根尖数）是影响紫花苜蓿越冬率的主要指标。越冬不同时期根部和根颈中主要抗寒生理指标的变化情况为:大部分品种根部超氧化物歧化酶在冷适应末期和土壤解冻时活性较高,土壤解冻时其平均活性是土壤开始冻结时的1.38倍,根颈中的变化趋势与根部相反;根部过氧化物酶活性在冷适应末开始降低,冷适应末其根部平均活性为45068.32 U·min-1·g-1 FW,但在根颈中至土壤开始冻结期均保持较高的活性;根颈和根部的过氧化氢酶活性变化特征相似,在冷适应末期其活性达到最高,冷适应末期根颈和根部的平均过氧化氢酶活性分别为673.46、409.77 U·min-1·g-1 FW;根部和根颈中脯氨酸含量在冷适应初期最低,至土壤冻结时含量达到最高,根部和根颈脯氨酸平均含量在土壤冻结时分别是冷适应初期的8.76、5.15倍;根部和根颈丙二醛含量在冷适应阶段持续降低,平均降幅分别为70.86%、51.75%,在之后越冬过程中,其含量稳定维持在一定范围内;根系发达、扩展性较强的‘WL319HQ’、‘皇后’、‘太阳神’、‘驯鹿’等紫花苜蓿品种具有较强的越冬能力。（2）在冷适应过程中,紫花苜蓿的渗透压、抗坏血酸、氧化型谷胱甘肽、还原型谷胱甘肽含量持续升高,紫花苜蓿通提升细胞液的渗透压,增加细胞液浓度,增强组织细胞渗透调节能力,同时增加抗氧化物质的含量,提高其抗氧化能力;相对电导率均呈现先增加后降低的变化趋势,表明在冷适应初期紫花苜蓿细胞膜受到损伤,造成离子泄露,但随着冷适应过程的持续,紫花苜蓿抗寒性初步形成,从而降低了离子泄露量;超氧阴离子含量和过氧化氢含量持续升高,但冷适应后期（7～14 d）较冷适应初期（0～7 d）,超氧阴离子含量和过氧化氢含量升高的趋势有所减缓;冷适应造成紫花苜蓿叶绿素a、b含量、净光合速率、蒸腾速率、非光化学淬灭系数、光系统Ⅱ实际光化学效率、光系统Ⅱ最大光化学效率、电子传递速率降低。（3）在抗寒品种中鉴定出5825个差异表达基因,非抗寒品种中鉴定出5903个差异表达基因,抗寒品种在冷冻胁迫初期（0.5h、3h）上、下调差异表达基因数量多于非抗寒品种,特别是上调的差异表达基因数量相对较多,抗寒品种对冷冻胁迫的早期应答反应更加迅速。差异表达基因富集分析结果显示,2个品种差异表达基因共同显著富集的KEGG通路为Ca2+信号、植物激素信号传导、植物MAPK信号等,并且在这些通路中富集的差异表达基因数量较多,此外黄酮类生物合成、淀粉和糖类代谢、光合作用等相关基因也参与了紫花苜蓿对冷冻胁迫的响应;差异表达基因主要功能体现在对信号传导、转录调控、抗氧化物质的合成以及促进大分子糖类分解为小分子低聚糖等生物学过程。2个紫花苜蓿品种差异表达基因在亚油酸代谢、苯丙烷生物合成、二萜生物合成、谷胱甘肽代谢、异黄酮生物合等过程中表达模式的不同可能是造成其抗寒能力出现差异的原因。（4）利用代谢组学分析,共鉴定出62种关键差异代谢物,这些代谢物分别是有机酸及衍生物（21个）,苯丙素类和聚酮类（10个）,碳水化合物和碳水化合物偶联物（9个）,脂质和类脂分子（6个）,和核苷、核苷酸和类似物（6个）。经差异代谢物KEGG富集分析,抗寒品种差异代谢物显著富集到8个代谢通路,非抗寒品种差异代谢物显著富集到13个通路。通过对差异代谢物代谢途径网络分析,紫花苜蓿通过调节氨基酸合成代谢（谷氨酸、天冬氨酸）、中心碳水化合物代谢、脂质类化合物（三烯酚类、ω-3多不饱和脂肪酸）代谢、苯丙烷类化合物（羟基肉桂酸盐、黄酮类化合物）合成代谢、核苷酸类及有机杂环化合物,调控紫花苜蓿在冷冻胁迫下的抗氧化水平、渗透调节、柠檬酸循环、叶绿素合成、第二信使类信号分子合成和激素调节等生理功能。氧化型谷胱甘肽、黄酮类化合物、尿卟啉原Ⅲ、γ-氨基丁酸、ε-生育酚、γ-生育三烯酚、二羟玉米素等代谢物在冷冻胁迫下表达丰度的不同,可能是造成2个紫花苜蓿品种抗寒性差异的原因。本研究初步探明了紫花苜蓿在抗寒过程中影响越冬的关键形态指标,分析筛选出紫花苜蓿响应冷冻胁迫的关键基因和代谢物,并构建了核心代谢调控网络,为进一步研究紫花苜蓿抗寒机制提供参考依据。