Urban rhizosphere dialogues: modelling the dynamics of a complex interplay through DNA/RNA-based approaches supported by bioinformatic

Obtaining robust belowground data for urban trees remains challenging. Urban root research is constrained by the complexity of the sampling environment, where heterogeneous and frequently disturbed soils reduce both species-level identification and functional inference. Consequently, the standardization of root trait measurements is still limited, and the integration of belowground information into monitoring, modelling, and management remains difficult. Within the broader framework promoted by the National Biodiversity Future Center (NBFC), which calls for scalable and transparent approaches to biodiversity monitoring, conservation, valorisation, and sustainable management, these issues are especially relevant in urban ecosystems, where tree performance, stability, and risk are strongly influenced by rooting space, root system architecture, rhizosphere dynamics, and root-associated microbial communities. In this context, the present thesis investigates the belowground dimension of urban forests through four complementary studies addressing root-trait comparability, molecular identification, and rhizosphere functioning. The first study examines methodological constraints in root-trait research through a systematic review of fine- and coarse-root traits in woody species. The review reveals substantial heterogeneity in trait definitions, sampling strategies, and metadata reporting. A particularly relevant outcome is the near absence of studies conducted in urban environments. These findings indicate that greater consistency in trait measurement and reporting is needed if belowground traits are to become more comparable across studies and more informative in applied monitoring contexts. The second study addresses species identification in mixed root samples. To overcome this constraint, a rapid and low-cost PCR-based assay was developed and validated for the detection of Quercus cerris roots. The method was designed for cases in which morphological identification is unreliable and was successfully applied to urban root material collected both by excavation and by non-invasive soil coring in an urban forest case study in Campobasso, central Italy. This work provides an operational tool for urban root studies and for monitoring activities requiring non-destructive approaches. The third study extends this molecular perspective by evaluating the taxonomic coverage and discriminatory performance of six widely used DNA barcode markers across Italian plant taxa. Rather than assuming equivalent performance among loci, the analysis highlights substantial differences in taxonomic resolution and supports the adoption of taxon-specific and marker-specific strategies for species identification in complex root and soil matrices. This aspect is particularly important in urban contexts, where mixed samples, incomplete reference coverage, and closely related taxa can all reduce identification accuracy and complicate the interpretation of belowground biodiversity patterns. The final study shifts to rhizosphere functioning investigating the influence of a nature-based soil amendment on microbial processes in urban soil. Using a rhizobox experiment with Quercus ilex seedlings grown with or without biochar, a carbon-rich material produced by the pyrolysis of plant biomass, the study examines rhizosphere responses through isotope-based tracing, microbial profiling, and transcriptomic analysis. Biochar treatment was associated with changes in active bacterial communities, enhanced microbial assimilation of root-derived carbon, and transcriptional shifts related to biosynthetic processes, translation, and energy metabolism. These findings show that soil amendments can alter rhizosphere activity in ways that are relevant to belowground carbon dynamics and plant–microbe interactions in urban soils. Overall, the thesis shows how methodological refinement and molecular tools can broaden the scope of belowground research in urban environments.

Ottenere dati solidi sulla componente ipogea degli alberi urbani resta una sfida. La ricerca sugli apparati radicali in città è condizionata dalla complessità del campionamento, poiché suoli eterogenei e spesso disturbati limitano sia l’identificazione delle specie sia l’interpretazione funzionale dei tratti radicali. Di conseguenza, la standardizzazione delle misure rimane parziale e l’integrazione delle informazioni ipogee nei programmi di monitoraggio, modellizzazione e gestione degli alberi urbani è difficile. Nel quadro promosso dal National Biodiversity Future Center, orientato ad approcci scalabili e trasparenti per il monitoraggio, la conservazione, la valorizzazione e la gestione sostenibile della biodiversità, tali criticità sono centrali negli ecosistemi urbani. In questi contesti, performance, stabilità e rischio degli alberi dipendono dallo spazio di radicazione, dall’architettura radicale, dalle dinamiche della rizosfera e dalle comunità microbiche associate alle radici. La presente tesi indaga la dimensione ipogea delle foreste urbane attraverso quattro studi complementari, finalizzati a migliorare la comparabilità dei tratti radicali, l’identificazione molecolare delle specie e la comprensione del funzionamento rizosferico. Il primo studio analizza i limiti metodologici della ricerca sui tratti radicali mediante una revisione sistematica dei tratti delle radici fini e grossolane nelle specie legnose. La revisione evidenzia elevata eterogeneità nelle definizioni dei tratti, nelle strategie di campionamento e nella rendicontazione dei metadati, insieme a una quasi totale assenza di studi in ambiente urbano. Questi risultati indicano la necessità di protocolli coerenti, affinché i tratti ipogei possano essere confrontati tra studi diversi e usati in modo efficace nel monitoraggio. Il secondo studio affronta l’identificazione delle specie in campioni radicali misti. A tal fine è stato sviluppato e validato un saggio rapido e a basso costo basato su PCR per il rilevamento delle radici di Quercus cerris. Il metodo è stato progettato per casi in cui l’identificazione morfologica è inaffidabile ed è stato applicato con successo a radici urbane raccolte sia mediante scavo sia mediante carotaggio non invasivo del suolo in una foresta urbana di Campobasso. Il lavoro fornisce così uno strumento operativo per studi e monitoraggi con approcci non distruttivi. Il terzo studio amplia questa prospettiva molecolare valutando la copertura tassonomica e la capacità discriminante di sei marcatori di DNA barcode usati oggi nei taxa vegetali italiani. L’analisi mostra che i diversi loci non offrono prestazioni equivalenti e che la risoluzione tassonomica varia in modo sostanziale tra marcatori e gruppi vegetali. Tali risultati supportano strategie specie-specifiche e marcatore-specifiche per l’identificazione in matrici radicali e del suolo complesse. Questo aspetto è cruciale negli ambienti urbani, dove campioni misti, copertura incompleta delle sequenze di riferimento e taxa affini possono ridurre l’accuratezza dell’identificazione e complicare l’interpretazione della biodiversità ipogea. Il quarto studio si concentra sul funzionamento della rizosfera, valutando l’influenza di un ammendante naturale sui processi microbici in suolo urbano. Attraverso un esperimento in rizobox con semenzali di Quercus ilex coltivati con o senza biochar, materiale ricco in carbonio ottenuto dalla pirolisi di biomassa vegetale, sono state analizzate le risposte rizosferiche mediante tracciamento isotopico, profilazione microbica e analisi trascrittomica. Il biochar è risultato associato a cambiamenti nelle comunità batteriche attive, a maggiore assimilazione microbica del carbonio derivato dalle radici e a variazioni trascrizionali legate a processi biosintetici, traduzione e metabolismo energetico. Nel complesso, la tesi mostra che il perfezionamento metodologico e gli strumenti molecolari possono ampliare la ricerca ipogea urbana e supportare una gestione più informata di alberi e suoli cittadini.