城市森林中土耳其栎(Quercus cerris)根系分子鉴定技术的开发与应用

本研究针对城市环境中植物根系物种鉴定困难的问题，开发了基于ITS和ITS2序列的PCR特异性引物技术，成功实现了对土耳其栎(Q. cerris)根系的快速、准确识别。该技术突破了传统形态学鉴定的局限性，为城市森林管理和生态研究提供了创新工具，对理解根系生态功能及制定城市绿化策略具有重要意义。

　　

在城市生态系统中，树木根系的研究长期面临"看不见的地下世界"困境。传统依赖形态特征的鉴定方法不仅耗时费力，在根系交错生长的城市环境中更易出错。尤其对于广泛用于欧洲城市绿化的土耳其栎(Quercus cerris)而言，其根系常与其他栎属植物混生，准确识别成为研究根系生态功能的关键瓶颈。

为突破这一限制，Daniele Fantozzi团队在《Scientific Reports》发表研究，首次系统比较了7种植物DNA条形码(ITS、ITS2、matK、psbA-trnH、rbcL、rpoC1、trnL-trnF)在栎属植物中的鉴别效力。通过遗传距离分析和Wilcoxon检验，发现核糖体ITS和ITS2序列具有最高的种间变异度，为开发物种特异性引物奠定了理论基础。

研究团队采用生物信息学方法设计了靶向Q. cerris的特异性引物，通过湿实验验证其灵敏度可检测30 ng模板DNA，且不与Q. ilex等其他栎属植物交叉反应。该技术成功应用于意大利Campobasso城市森林的土壤钻探样本，实现了从混合根系中特异性识别Q. cerris的目标。

关键技术方法包括：1)从GenBank获取7种条形码序列进行多序列比对；2)使用DECIPHER软件设计引物并通过Primer-BLAST验证特异性；3)采用珠磨法(DNeasy Plant Pro Kit)和土壤DNA提取法(DNeasy PowerSoil Pro Kit)获取不同来源样本DNA；4)优化PCR条件进行靶标扩增检测。

主要研究结果：

1. 1.

   序列特征分析：ITS和ITS2显示出最高GC含量(51.4-70.7%)和最多变异位点(420/171)，显著高于叶绿体条形码。

2. 2.

   遗传分歧比较：ITS2的种间遗传距离(0.062±0.042)显著高于matK(0.009±0.007)等传统条形码。

3. 3.

   引物验证：设计的ITS引物(CCCCACGCAGGCGGGAC/GCGCACGGGAGGCCAACT)仅对Q. cerris产生361 bp特异条带。

4. 4.

   实地应用：在含多物种的城市土壤钻探样本中成功检出Q. cerris根系DNA。

研究结论指出，这是首个针对城市栎树根系开发的分子鉴定方案，其非破坏性采样特点特别适合空间受限的城区环境。该技术为监测根系动态、评估生态服务功能提供了新工具，将助力欧盟"2030生物多样性战略"中30亿棵城市树木的种植管理。未来可通过开发定量PCR和多重PCR体系，进一步拓展其在根系生态研究中的应用维度。

值得注意的是，研究揭示了植物DNA条形码选择的重要性——虽然未发现明显的"条形码间隙"，但核基因组标记(ITS/ITS2)比叶绿体标记更适合近缘种鉴别。这一发现为其他木本植物的根系研究提供了方法论参考，特别是在气候变化背景下城市树木的适应性研究中具有广阔应用前景。