Städte treiben die Evolution der Gefleckten Laternenzikade an – neue Genetikstudie der NYU

Glühend heisser Asphalt, verschmutzte Luft und wiederholte Pestizidspritzungen würden die meisten Insekten an ihre Grenzen bringen. Die Gefleckte Laternenzikade schaffte es jedoch nicht nur, unter solchen Bedingungen zu überleben, sondern sich sogar über ein ganzes Land auszubreiten.

Neue genetische Untersuchungen der New-York-Universität (NYU) deuten darauf hin, dass ausgerechnet das Leben in der Stadt dafür entscheidend sein könnte. Urbane Lebensräume sind damit nicht bloss Kulisse für invasive Insekten: Sie können aktiv mitbestimmen, wie sich solche Arten weiterentwickeln.

In Städten sind Insekten dauerhaft extremer Hitze, chemischem Stress und ständigen Störungen ausgesetzt. Mit der Zeit können diese Belastungen Eigenschaften begünstigen, die invasiven Arten zunächst das Durchhalten ermöglichen – und später dabei helfen, beim Vorstoss in neue Regionen sogar zu prosperieren.

Gefleckte Laternenzikaden schädigen Kulturen

Die Gefleckte Laternenzikade (Lycorma delicatula) stammt aus China und Teilen Südasiens. In den vergangenen zehn Jahren hat sie sich im Nordosten der USA rasant ausgebreitet und in Städten sowie Vororten riesige Schwärme gebildet.

Weinberge, Obstplantagen und Wälder werden dabei erheblich in Mitleidenschaft gezogen; allein im Bundesstaat New York summieren sich die wirtschaftlichen Schäden auf Millionenbeträge. Um zu verstehen, wie diese Expansion so schnell gelingen konnte, analysierten Forschende aus mehreren Instituten die DNA der Laternenzikaden.

Fallon Meng, Doktorandin am Biologie-Department der NYU, ist Erstautorin der Studie.

„Städte können als evolutionäre Brutstätten wirken, die einer invasiven Art helfen, besser mit Belastungen wie Hitze und Pestiziden umzugehen – was ihnen dann die Anpassung an neue Umwelten erleichtert“, sagte Meng.

Genetische Variation bei Gefleckten Laternenzikaden

Das Team setzte auf Ganzgenom-Sequenzierung und untersuchte Laternenzikaden aus städtischen und bewaldeten Gebieten in Shanghai (China) sowie Proben aus der Stadt New York, aus New Jersey und aus Connecticut.

Mithilfe der Genomanalysen liessen sich sowohl die Invasionsgeschichte nachzeichnen als auch die genetische Vielfalt quantifizieren.

Invasive Arten gelangen oft über sehr kleine Gründergruppen in neue Regionen – etwa durch Eigelege, die an Versandkisten haften. Solche Gründungsereignisse verringern die genetische Variation und schränken normalerweise die Anpassungsfähigkeit ein. Trotzdem kommen Laternenzikaden auch mit geringer Vielfalt erstaunlich gut zurecht, was zum seit Langem diskutierten „genetischen Paradoxon der Invasion“ führt.

Die Vergleiche der Genome bestätigten, dass die Population in den USA einen deutlichen Verlust an genetischer Diversität aufweist. Individuen über grosse Entfernungen hinweg hatten nahezu identische DNA, was auf eine starke genetische Clusterbildung hindeutet.

„Wir haben einen wirklich dramatischen Rückgang der genetischen Variation gefunden – Laternenzikaden in den USA waren genetisch zu einer grossen Population gebündelt – aber trotz dieses Rückgangs passen sich die Laternenzikaden weiterhin an das lokale Klima an“, sagte Anthony Snead, Postdoktorand an der NYU und Koautor der Studie.

Die geringe Gesamtdiversität verhinderte die Anpassung also nicht. Stattdessen konzentrierte sich die Selektion auf bestimmte Gene, die direkt mit dem Überleben zusammenhängen.

Chinesische Populationen bleiben lokal

In China zeigte sich ein deutlich anderes genetisches Muster: Städtische Populationen in Shanghai unterschieden sich genetisch von nahegelegenen Waldpopulationen – selbst bei Distanzen von nur ein paar Dutzend Kilometern.

Ein Teil dieser Struktur lässt sich durch die begrenzte Flugleistung erklären. Die Laternenzikaden sind auf Wirtspflanzen wie den Götterbaum angewiesen und müssen häufig Nahrung aufnehmen, was ihre Wanderbewegungen einschränkt.

„Laternenzikaden sind in ihrem natürlichen Verbreitungsgebiet wirklich stark lokalisiert. Sie können fliegen, aber sie bewegen sich meist nicht weit, weil sie auf bestimmte Wirtsbäume wie den Götterbaum angewiesen sind und sich mit ihren stechend-saugenden Mundwerkzeugen kontinuierlich ernähren müssen“, sagte Meng.

Genetische Modellierungen wiesen zudem auf drei grosse Populations-Flaschenhälse hin. Zwei davon passten zu bekannten Invasionsereignissen, die mit Südkorea und Pennsylvania in Verbindung stehen.

Ein dritter Flaschenhals datiert auf mehr als 170 Jahre zurück, in eine Phase rasanten städtischen Wachstums in Shanghai. Die Ausdehnung der Stadt dürfte neue Stressoren für Laternenzikadenpopulationen geschaffen und Anpassungsprozesse angestossen haben – noch bevor die spätere globale Ausbreitung begann.

Städte machten die Insekten widerstandsfähiger

Bei Laternenzikaden aus Städten fanden sich genetische Veränderungen, die mit Stressreaktionen, Stoffwechsel, Immunität und Entgiftung zusammenhängen.

Solche Gene unterstützen das Überleben unter Hitze, Luftverschmutzung, veränderter Nahrung und Pestizidexposition. Eine zentrale Rolle spielen Entgiftungsgene, weil sie schädliche chemische Substanzen sowohl aus Pflanzen als auch aus Insektiziden abbauen.

Eine Gen-Gruppe hilft dabei, Giftstoffe aus Insektenzellen herauszupumpen und so Schäden durch Pestizide zu verringern. Hinweise auf Selektion an diesen Genen zeigten sich sowohl in städtischen Populationen in China als auch in den invasiven US-Populationen – ein Signal dafür, dass eine „Vorbereitung“ auf harte Umweltbedingungen früh stattgefunden haben könnte.

Weitere Gene beeinflussten den Energiehaushalt, Funktionen des Nervensystems und die Immunabwehr, was das Überleben in dicht besiedelten, belastenden Stadtumgebungen unterstützt.

„Wir glauben, dass diese Unterschiede darauf hinweisen könnten, wie sich Laternenzikaden entwickelt haben, um in heissen, verschmutzten, pestizidintensiven Städten zu überleben – was ihnen möglicherweise bei der Ausbreitung hilft und künftig neue Probleme für die Bekämpfung schafft“, sagte Meng.

Wie sich Gefleckte Laternenzikaden ausbreiten

Städtische Räume könnten Invasionen auf mehr Arten fördern als nur über Transportwege. Städte weltweit teilen zahlreiche Merkmale – etwa Wärmeinseln, Verschmutzung, künstliches Licht und den Einsatz von Chemikalien. Eine Anpassung an eine Stadt kann ein Organismus damit womöglich auf viele weitere Städte vorbereiten.

„Es ist interessant zu bedenken, dass unsere eigene Infrastruktur in Städten Invasionen erleichtern könnte – nicht nur, weil Menschen Organismen durch Handel bewegen, sondern auch, weil unsere Präsenz einen Organismus zur Anpassung treiben kann und ihm so ermöglicht, invasiv zu werden“, sagte Snead.

Trotz starker genetischer Flaschenhälse blieb bei Laternenzikaden Variation in entscheidenden Überlebensgenen erhalten. Die natürliche Selektion hielt nützliche Merkmale aufrecht, selbst während die Gesamtdiversität sank. Diese gezielte Anpassung liefert eine Erklärung dafür, warum die Art so schnell in unterschiedlichen Klimazonen erfolgreich sein kann.

Urbane Invasionen managen

Das Forschungsteam plädiert dafür, Städte in Schutz- und Managementstrategien der Invasionsbiologie als aktive Einflussfaktoren mitzudenken. Eine engmaschige Kontrolle von Eigelegen in städtischen Gebieten, das Rotieren von Pestizidstrategien und aktualisierte Risikokarten könnten die weitere Ausbreitung bremsen.

„In unserer zunehmend urbanen Welt sollten wir invasive Arten und Urbanisierung als miteinander verknüpfte Teile eines Ganzen untersuchen“, sagte Kristin Winchell, Biologieprofessorin an der NYU und leitende Autorin der Studie.

„Diese beiden grossen Aspekte des globalen Wandels werden zu oft getrennt voneinander untersucht, aber ihre Effekte können sich gegenseitig verstärken – auf synergetische und überraschende Weise, wie wir es hier bei der Gefleckten Laternenzikade sehen.“

Zu verstehen, wie Städte Evolution prägen, könnte sich als entscheidend erweisen, um künftige biologische Invasionen besser vorherzusagen und zu steuern.