Города-инкубаторы: как городская среда помогла инвазивной цикадке захватить США

Пятнистая цикадка-фонарница распространилась по США с неумолимой скоростью, и теперь у нас есть ключ к разгадке причины: жизнь в городах, похоже, помогла этим инвазивным насекомым эволюционировать и стать более устойчивыми к стрессам.

«Города могут действовать как эволюционные инкубаторы, помогая инвазивному виду лучше справляться с такими факторами давления, как жара и пестициды, что затем помогает им лучше адаптироваться к новым средам», — рассказала Live Science ведущий автор исследования Фэллон (Фан) Мэн, биолог из Нью-Йоркского университета.

Пятнистая цикадка-фонарница — это равнокрылое насекомое, которое использует свой длинный хоботок для высасывания сока из растений. Родом из Китая, она распространилась по Южной Корее, Японии и США, где была впервые обнаружена в Пенсильвании в 2014 году, а сейчас встречается в 19 восточных штатах.

Её предпочитаемое растение-хозяин — китайский ясень (айлант высочайший), который также является инвазивным видом, но цикадка может питаться широким спектром растений, включая экономически ценные, такие как виноградная лоза, хмель, клёны, фруктовые и лиственные деревья.

Цикадки могут ослаблять растения, а во время питания выделяют липкую сладкую жидкость, которая способствует росту сажистой плесени. Более того, когда пчёлы решают собирать эту сахарную жидкость вместо посещения цветов, производимый ими мёд приобретает дымный аромат и длительное послевкусие, хотя он остаётся безопасным для употребления.

Всё это может привести к огромным финансовым потерям. Например, исследование 2019 года показало, что только в Пенсильвании неконтролируемое распространение цикадки может обходиться в 324 миллиона долларов ежегодно.

Генетика цикадки
Чтобы лучше понять, как цикадки так хорошо адаптировались к жизни в США, исследователи секвенировали геномы насекомых из городских и сельских районов Шанхая (Китай), а также из Нью-Йорка, Коннектикута и Нью-Джерси. Исследование было опубликовано в среду, 4 февраля, в журнале Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences.

В популяциях цикадок в Китае учёные обнаружили чёткие генетические различия между городскими и сельскими особями. «Даже несмотря на то, что они находятся всего в 30 километрах друг от друга, между ними наблюдается очень сильная популяционная дифференциация», — сказала Мэн.

Вероятно, это связано с тем, что, хотя цикадки могут летать, им необходимо постоянно питаться, поэтому они держатся близко к деревьям-хозяевам, от которых зависят. Это означает, что популяции легко могут оставаться разделёнными.

Такое разделение привело к тому, что городские цикадки в Шанхае эволюционировали и развили генетическую устойчивость к стрессам, которой не было у сельских особей, адаптируясь к более жарким условиям городов и повышая свою способность к детоксикации и метаболизму токсинов и пестицидов.

В США, однако, цикадки были генетически схожи во всех локациях, даже если некоторые образцы были взяты на расстоянии 200 км друг от друга. Согласно исследованию, те же гены, которые эволюционировали для городской жизни, получили дальнейшее развитие в популяциях США.

Используя демографическое моделирование на основе геномных данных для реконструкции недавней истории цикадок, исследователи выявили три генетических «бутылочных горлышка» — моменты, когда популяции основывались ограниченным числом особей. Первое произошло более 170 лет назад, когда Шанхай переживал быструю урбанизацию. Второе совпало с перемещением цикадок из Китая в Южную Корею в 2004 году, а третье — в 2014 году, когда насекомые прибыли в Пенсильванию, вероятно, «путешествуя автостопом» на товарах, перевозимых из-за рубежа.

Адаптация к городам Китая могла подготовить цикадку к переносимости других жарких и загрязнённых сред, отметила Мэн. «Мы должны изучать инвазивные виды и урбанизацию как взаимосвязанные части целого. Эти два аспекта слишком часто изучаются изолированно, но их эффекты могут сочетаться синергетически и удивительным образом».

Способность справляться с более широким спектром токсинов может помогать пятнистой цикадке распространяться в США, сказал Зах Лэдин, эколог из Университета Делавэра, не участвовавший в исследовании.

Относительно высокая плотность китайского ясеня даёт цикадкам опору во многих городах, сказал он Live Science, «но некоторые из обнаруженных генов, связанных с преодолением токсического химического воздействия, действительно могут помочь им сменить хозяев и использовать другие растения».

Лэдин добавил, что новая генетическая информация может помочь замедлить или сдержать распространение цикадки. «С точки зрения химического контроля, теперь у нас есть конкретные гены-мишени, что может быть важно для обеспечения того, чтобы мы не просто провоцировали устойчивость к определённым химикатам», — сказал он.

Это открытие меняет представление о механизмах биологических инвазий. Оно показывает, что городские экосистемы, которые часто считаются «мёртвыми зонами» для биоразнообразия, могут невольно выступать в роли полигонов для естественного отбора, создавая супер-адаптированных захватчиков. Устойчивость к пестицидам, выработанная в ответ на городское загрязнение и борьбу с вредителями, становится ключевым оружием цикадки против попыток её сдержать в сельскохозяйственных регионах.

Для эффективной борьбы с цикадкой требуются новые подходы. Во-первых, необходимо срочно контролировать распространение её основного растения-хозяина — китайского ясеня, особенно в городах, чтобы лишить насекомое плацдармов. Во-вторых, программы химического контроля должны быть пересмотрены с учётом выявленных генов устойчивости, чтобы избежать бесполезного применения пестицидов, которые только усилят отбор. В-третьих, приоритетом должна стать разработка биологических методов борьбы — например, поиск естественных врагов (паразитоидов или патогенов) в родном ареале цикадки, которые могли бы сдерживать её численность без риска развития резистентности.

Это исследование также служит предупреждением в более широком контексте глобализации и изменения климата. Урбанизированный мир непреднамеренно создаёт идеальные условия для «закалки» инвазивных видов, которые затем могут беспрепятственно колонизировать новые территории. Понимание этой связи между урбанизацией и инвазивностью становится критически важным для защиты биоразнообразия и продовольственной безопасности в будущем