Population genetics and distribution of the invasive mosquito Aedes japonicus japonicus (Diptera: Culicidae) in Germany and Europe

English. The present work deals with the distribution and population genetics of the invasive Asian bush mosquito Ae. j. japonicus which has been spreading in Germany since 2008 by human-mediated transportation and dispersal. Aedes j. japonicus is a vector of several arboviruses under laboratory conditions, e.g. dengue virus and chikungunya virus. It has also been found infected in the field with Japanese encephalitis virus, West Nile virus and La Crosse virus. Following several independent submissions of Ae. j. japonicus specimens in the framework of the German citizen science project “Mückenatlas”, a population was discovered in West Germany in 2012. The distribution area of this population was far more north than the assumed northern distribution limit of the species in South Germany. The extent of this population was defined by a short-time monitoring to an area of about 2,000 km2. Developmental stages of five locations in West Germany were subjected to population genetic studies in order to study the relatedness of individuals within the population and with other European populations. For this purpose, seven microsatellite loci were examined and compared. In addition, part of the mitochondrial nad4 gene region was sequenced and screened for nucleotide polymorphisms. The results were compared to data previously collected from Swiss, Austrian/Slovenian and Belgian populations. The microsatellite signature of the West German population was quite different from the ones of the other European populations. Further, nad4 haplotypes never described before from Europe were found. Thus, this population must be assumed to derive from an independent introduction event of mosquitoes from overseas. The exact origin – USA or East Asia – could not be identified. In 2013, two more populations of Ae. j. japonicus were detected in Europe: one in North Germany and the other in the Netherlands. The genetic makeup of individuals of these newly detected populations were analysed as described. Additionally, the genetic makeup of a broader range of individuals from Slovenia was examined, as well as that of individuals from Croatia and southern Germany. Results were compared with previous findings and showed a similar microsatellite signature and identical nad4 haplotypes, indicating that the North German population is a subpopulation of the West German one. The low population density and the comparably small distribution area of the North German population also suggest that the split-off took place not long ago. By contrast, the Dutch population appears to originate from a further introduction event of mosquitoes from overseas. In late summer 2015, the most recent German population of Ae. j. japonicus was detected in Upper Bavaria and adjacent Austria. Population genetics showed this population to be closely related to the formerly described Austrian/Slovenian population while being different from all other German populations suggesting it to be a split-off from the Austrian/Slovenian population. The distribution and spread of Ae. j. japonicus in West and North Germany were observed from the time of detection in 2012/2013 until 2015. In this period, the West German population considerably increased its distribution area, while the North German population did not seem to expand at all. The reasons for this are seen in the North German population being younger than the West German one, the separation incident not dating back very far and the population still being in its founder phase. Passive worldwide displacement of mosquitoes will probably increase in the future and establishment and spread of invasive species, including the Asian bush mosquito and other potential vectors of disease agents, will continue to pose challenging problems in Europe and Germany. Monitoring the dispersal of populations and performing population genetic studies to find out geographic origins as well as migration and transportation routes will help reconstructing and preventing further introduction and spread and are therefore essential tools of mosquito vector management.

German. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Verbreitung und Populationsgenetik der invasiven asiatischen Buschmücke Ae. j. japonicus, die sich seit 2008 durch Menschen-vermittelten Transport in Deutschland ausbreitet. Aedes j. japonicus ist unter Laborbedingungen Vektor für verschiedene Viren, unter anderem für das Dengue-Virus und das Chikungunya-Virus, und wurde im Feld mit dem Japanische Enzephalitis-Virus, dem West Nil-Virus und dem La Crosse-Virus infiziert gefunden. 2012 wurde aufgrund mehrerer unabhängiger Mücken-Einsendungen im Rahmen des Citizen-Science-Projekts “Mückenatlas” eine Population der Asiatischen Buschmücke in Westdeutschland entdeckt. Das Verbreitungsgebiet dieser Population befand sich weit nördlich der bisher angenommenen nördlichen Verbreitungsgrenze der Art in Süddeutschland. Das Ausmaß der Population wurde nach einem zeitlich begrenzten Monitoring auf eine Fläche von ca. 2000 km2 bestimmt. Aus dieser Population wurden Individuen von fünf Orten populationsgenetischen Analysen unterzogen, um verwandtschaftliche Beziehungen innerhalb der Population und im Vergleich zu anderen europäischen Populationen aufzudecken. Hierzu wurden sieben Mikrosatelliten-Loci untersucht. Zusätzlich wurde ein Teil der mitochondrialen nad4-Genregion der Individuen auf Nukleotid-Polymorphismen untersucht. Die Ergebnisse wurden mit bereits zuvor erhobenen Daten von Populationen aus der Schweiz, aus Österreich/Slowenien und Belgien verglichen. Die Mikrosatellitensignatur der westdeutschen Population unterschied sich deutlich von der der anderen europäischen Populationen. Weiterhin wurden verschiedene nad4-Haplotypen gefunden, die zuvor nirgendwo sonst in Europa aufgetreten waren. Demnach ist zu vermuten, dass diese Population auf eine unabhängige Einschleppung von Individuen aus Übersee zurückgeht. Der genaue Ursprung – USA oder Ostasien – konnte nicht bestimmt werden. 2013 wurden zwei weitere Ae. j. japonicus-Populationen in Europa entdeckt: eine in Norddeutschland und eine weitere in den Niederlanden. Die genetischen Signaturen von Individuen dieser Populationen wurden wie beschrieben analysiert. Zusätzlich wurde das genetische Material einer größeren Menge von Individuen aus Slowenien sowie von Individuen aus Kroatien und Süddeutschland untersucht. Die Ergebnisse wurden mit denen aus der vorigen Studie verglichen und zeigten aufgrund einer ähnlichen Mikrosatellitensignatur und gleicher nad4-Haplotypen klar, dass die norddeutsche Population eine Subpopulation der westdeutschen ist. Die geringe Populationsdichte und die vergleichsweise kleine Ausdehnung der norddeutschen Population deuten außerdem darauf hin, dass die Abspaltung nicht lange zurückliegt. Die niederländische Population scheint hingegen auf einer weiteren Einschleppung von Individuen aus Übersee zu basieren. Im Spätsommer 2015 wurde die bisher letzte deutsche Ae. j. japonicus-Population in Oberbayern und dem angrenzenden Österreich entdeckt. Populationsgenetischen Analysen zufolge ist diese Population eng mit der früher beschriebenen österreichisch-slowenischen Population verwandt und unterscheidet sich von allen anderen deutschen Populationen, was darauf schließen lässt, dass es sich bei ihr um eine Abspaltung von der österreichisch-slowenischen Population handelt. Die Ver- und Ausbreitung von Ae. j. japonicus in West- und Norddeutschland wurde vom Zeitpunkt der Entdeckung in 2012/2013 bis 2015 beobachtet. In dieser Periode erweiterte die westdeutsche Population ihr Verbreitungsgebiet beträchtlich, während die norddeutsche überhaupt nicht zu expandieren schien. Dies ist möglicherweise darauf zurückzuführen, dass die norddeutsche Population jünger als die westdeutsche ist, das Verschleppungsereignis noch nicht so weit zurückliegt und die Population sich noch in der Gründerphase befindet. Die passive weltweite Verschleppung von Stechmücken wird in der Zukunft vermutlich zunehmen, und die Etablierung und Ausbreitung invasiver Spezies, inklusive der Asiatischen Buschmücke und anderer potenzieller Überträger von Krankheitserregern, werden Europa und Deutschland weiterhin vor herausfordernde Probleme stellen. Das Monitoring der Ausbreitung von Populationen und die Durchführung populationsgenetischer Analysen zur Ermittlung von geographischen Ursprüngen sowie von Wanderungs- und Transportrouten werden helfen, weitere Einschleppungs- und Ausbreitungsereignisse nachzuvollziehen und zu unterbinden und sind daher essenzielle Instrumente des Managements von Mückenvektoren.