热起源的C4甘蔗（Saccharum officinarum）虽经数十年的杂交选育驯化,抗寒能力却未有实质性改善,其受寒机制目前仍不明确。本试验以广西农业科学院甘蔗种质资源圃内收集自世界各蔗区的60种甘蔗为材料,用快速、无损的叶绿素荧光法监测它们冬季濒临极端低温（2℃）时的抗寒能力（用光系统Ⅱ最大光化学效率Fv/Fm表征）;同时,在叶片层面测定其比叶面积、叶内各组织厚度、气孔指数、叶脉密度等结构性状及机械强度、膨压丧失点等功能性状,并分析其相关性;此外,以蔗区种植面积最大的新台糖22号（ROC22）为材料,用培养箱法监测其低温前后叶肉（M）、维管束鞘（BS）细胞叶绿体蛋白组的变化状况,从微观分子层面揭示其低温响应的结构和功能基础。获得下述结果:1)60种甘蔗材料冬季最冷时段凌晨Fv/Fm值区间为0.415-0.796,55种材料受寒明显（<0.7）,其中35种尤其严重（<0.6）。进一步分析发现,这些材料冬季最冷时段凌晨Fv/Fm值与其来源地最冷月最低温、冷季均温显著负相关。表明甘蔗群体对低温敏感,个体抗寒性有一定差异,这种冷敏性与来源地气候条件密切关联,受异地长期栽培驯化影响小。2)冬季最冷时段凌晨Fv/Fm值与叶片比叶面积(范围为99.87 cm~2×g-1-180.03 cm~2×g-1)显著负相关,与叶片厚度（范围为344.62μm-523.39μm）、叶肉组织厚度（范围为294.07μm-470.68μm）显著正相关,且和机械强度(范围为0.77 k N×m-1-1.53 k N×m-1)极显著正相关。表明甘蔗叶片耐寒性需要坚实的结构基础。3)M、BS叶绿体蛋白组学研究发现,低温前后两类叶绿体结构蛋白和功能蛋白均有一定差异。低温前,相较于M叶绿体,BS叶绿体中逆境响应蛋白（渗透蛋白样蛋白、玉米黄质环氧化酶等）表达量较高,而抗氧化类蛋白（谷胱甘肽转移酶等）、叶绿素合成相关蛋白（Mg原卟啉IX螯合酶）表达量较低。低温后,BS叶绿体主要通过减少光能的捕获与吸收、改变光保护蛋白表达对低温做出响应,而M叶绿体则通过调节光合碳代谢、光反应、电子传递及抗氧化保护等响应低温。说明C4植物特有的叶绿体结构组配在低温响应中分别执行不同的光合功能,联动响应低温胁迫。综上所述,甘蔗抗寒性受来源地气候条件影响,与其叶片结构性状密切关联。同时,通过M、BS叶绿体在低温下的蛋白表达变化,减少低温伤害。这些结果为植物尤其是C4植物抗寒研究提供了新资料,为甘蔗抗冷栽培和品种选育提供了理论参考。