研究首先观察了落叶松-杨柳锈菌的孢子发育过程，并比较了其在青杨和北美黑杨上的侵染特征。发现锈菌在接种后2–4小时开始萌发，从孢子表面长出1–5个芽管，24小时内形成可侵入宿主细胞的芽管网络。接种7天后，两种杨树叶上均出现少量夏孢子堆；14天时，美洲黑杨叶面夏孢子堆更多；到21天，美洲黑杨病斑大小趋于稳定，而青杨夏孢子堆仍显著增大。这表明青杨和美洲黑杨对锈菌侵染的敏感性明显不同（图1）。
锈菌侵染后，活性氧（ROS）和一氧化氮（NO）在两种杨树的染病叶和邻近健康叶中均被激发，但响应模式截然不同。青杨的两类叶片中，O₂⁻、H₂O₂和NO持续积累至21天，抗氧化酶（尤其POD和APX）活性也被大幅且持续地诱导升高。美洲黑杨虽然早期也有全面升高，但后期健康叶中的O₂⁻和H₂O₂便回落正常，且其抗氧化酶活性的本底水平原本就高，感染后变化不大。同时，美洲黑杨初始的O₂⁻含量和硝酸还原酶（NR）活性也更高。这表明美洲黑杨凭借预存的抗病底物，能更快、更有节制地控制氧化胁迫，避免过度消耗（图2）。
图 2 青杨和美洲黑杨受感染叶片及邻近未感染叶片在不同阶段中ROS和NO的含量
锈菌侵染后，两种杨树的次生代谢防御策略不同。青杨受侵染后，染病叶和邻近健康叶中的酚类、类黄酮和黄烷醇含量均持续增加，苯丙烷途径关键酶C4H和LAR活性稳步上升，相关基因也被显著激活，表现出“诱导型”防御特征。美洲黑杨则不同，虽未被诱导大量合成这些物质，但其酚类和黄烷醇的基线水平本就高于青杨，呈现出“基础型”防御策略。不过，两种杨树的木质素含量均持续增加，以加固物理屏障。这表明青杨依靠积极合成次生代谢物来应对入侵，而美洲黑杨更多依赖先天积累的高水平防御物质（图3）。
锈菌侵染后7至21天，青杨染病叶和健康叶中ABA和SA含量持续升高，于21天达最高，且健康叶含量低于染病叶。美洲黑杨两类叶片中ABA和SA均在7天显著升高，随后下降，且染病叶与健康叶间无明显差异。ABA合成基因NCED在两种杨树中均被诱导，美洲黑杨健康叶在21天的响应强于青杨。NPR1和病程相关基因PR2.3、PR5的表达受锈菌侵染影响，在两种杨树间存在差异。bHLH131、MYB182、WRKY23等转录因子及ABA响应基因RD20、MYB41、LTI65在两类叶片中被上调表达。两种杨树在病程相关基因和转录因子的表达模式上存在差异，反映出转录调控层面的不同（图4）。
图 4 美洲黑杨和青杨受感染叶片及邻近未感染叶片在不同阶段中SA和ABA的含量
锈菌侵染后，两种杨树的健康叶均通过染病叶信号获得系统免疫。青杨中染病叶与健康叶的POD、APX、NR活性及O₂⁻、类黄酮、SA、ABA含量均呈正相关；美洲黑杨中两类叶片的POD、LAR活性及ABA含量也呈正相关。PCA分析显示，青杨所有变量对PC1均为正向贡献，染病叶与健康叶及不同时间点样本均能清晰分离；美洲黑杨则不同，黄烷醇和酚类为负向贡献，染病叶与健康叶无法区分，不同时间染病叶样本也不能分开，表明其健康叶获得了与染病叶相当甚至更强的抗性，系统防御更强。相关分析中，青杨各指标间均为正相关，而美洲黑杨相关性弱，部分指标呈负相关。这说明青杨至21天仍处于活跃对抗状态，美洲黑杨后期已趋于防御平衡（图5）。
图 5 主成分分析图展示青杨（a）和美洲黑杨（b）的明显聚类分组，以及各生理指标与青杨（c）和美洲黑杨（d）侵染及侵染阶段的相关性
ABA和NO在抗病信号传导中发挥重要作用，ABA可通过调控NO诱导气孔关闭以阻止病原菌入侵。前期实验表明两种杨树受锈菌侵染后ABA和NO含量均变化，但时序模式不同。进一步研究发现，在含ABA或SNP（NO供体）条件下，孢子萌发和菌丝分枝受到强烈抑制，添加NO清除剂C-PTIO可缓解抑制效果。两种杨树经ABA或SNP处理后气孔趋于关闭，气孔纵横比升高，添加C-PTIO可逆转该效应。此外，美洲黑杨气孔运动对ABA和NO的响应比青杨更为敏感，这可能部分解释了其在锈病防御后期表现更有效的原因（图6）。
图 6 经蒸馏水（对照，a和e）、SNP（b和f）、ABA（c和g）以及ABA+CPTIO（d和h）处理的青杨（a–d）和美洲黑杨（e–h）叶片上夏孢子的萌发特征
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