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インジウム等重金属曝露作業者における酸化ストレスマーカーとの量影響関係

本研究の目的は、重金属曝露作業者における酸化ストレスマーカーとの量影響関係を検討することである。対象は、二次鉛精錬工場における男性作業者27名と、金属インジウムおよびインジウム化合物作業者59名であった。曝露指標として、血中鉛(Pb-B)と血清インジウム(In-S)濃度を用いた。影響指標としては、リン脂質で過酸化を受け合成する8-iso-PGF、およびDNAの酸化損傷指標8-OHdGを、生体内の酸化ストレスマーカーとして用いた。鉛曝露作業者において曝露と尿中8-iso-PGFおよび尿中8-OHdGとの量影響関係を明らかにすることができたが、インジウム曝露との間では関連が示されなかった。前年度には鉛曝露が比較的高い鉛蓄電池工場にて、最終年度には、金属インジウムおよびインジウム化合物取扱い作業場にて疫学調査を実施した。BLLとの相関係数はALA、8-OHdG、8-iso-PGFで0.659、0.696、0.692であり、BLLによる3分位により9人ずつ3群に分けたそれぞれを群間比較したところ、いずれもBLLの上昇に応じ有意に値が上昇した。また鉛1μg/dLあたりのこれに対するオッズ比は、8-OHdGで1.078、8-iso-PGFで1.067であった。よってこれらは酸化ストレスマーカーとしてBLLの上昇に対し有意な変化を示すと考えられる。対象者の平均濃度(範囲)は、In-S 4.58 (検出下限未満から51.8)、8-iso-PGF 284.3(134-613)、8-OHdG 4.75(検出下限未満から11.3)であった。In-Sとの相関係数は、8-iso-PGF、8-OHdGで0.046、0.004であり関連は示唆されなかった。またそれぞれのカットオフ値を設定しprevalenceを求めたところ、これも同様の傾向を有意に認め、鉛1μg/dLあたりのこれに対するオッズ比は、8-OHdGで1.078、8-iso-PGFで1.067であった。BLLと、DNAの酸化ストレスマーカーである8-OHdGとの量依存性の関連は、8-OHdGが鉛による変異原性・発がん性の早期指標となる可能性を、また膜脂質の酸化ストレスマーカーである8-isoPGFとの量依存性の関連は、8-iso-PGFが鉛による神経系障害をはじめとする腎障害、造血障害といった様々な症状の早期指標となる可能性を示唆している。一方、対象人数が少ない、基礎疾患や背景の影響を考慮していない、複合曝露を考慮できていないといった理由から、さらなる研究が必要と考えられた。本研究は、下記の研究目的に由っており、おおむね順調に進展していると考える。難溶性インジウム化合物と肺障害(インジウム肺)の因果関係が確立したが、その自然史は明らかになっていない。その自然史に活性酸素が関与していることが疑われる。イソプラスタン類のうち、リン脂質で直接的に活性酸素により過酸化を受け合成する8-iso-prostaglandin-F2α(以下8-iso-PGFと略)は、生体内の酸化ストレスマーカーとして、特に高感度の指標である。本研究は、インジウム曝露作業者さらには、他の重金属である鉛、カドミウム曝露作業者を対象(曝露)群とし、コントロール群との比較において、重金属曝露と酸化ストレスマーカー尿中8-iso-PGFとの量影響関係を明らかにすることを目的とする。現在までに、鉛曝露作業者において金属曝露と酸化ストレスマーカー尿中8-iso-PGFとの量影響関係を明らかにすることができた。ゆえに、おおむね順調な達成であると考える。今後、インジウム曝露作業者さらには、他の重金属である鉛、カドミウム曝露作業者を対象(曝露)群とし、コントロール群との比較において、重金属曝露と酸化ストレスマーカー尿中8-iso-PGFとの量影響関係を明らかにすることを目的とし、研究を進める。我々は、すでに鉛曝露作業者、ニッケルカドミウム電池工場作業者のフィールドを有する。インジウム取扱い工場、鉛曝露が比較的高い鉛蓄電池工場、ニッケルカドミウム電池製造工場において疫学調査を実施する。

曝露指標として、血清インジウム濃度(In-S)、血中鉛、血中Cd、尿中Cd測定および曝露作業歴を調査する。影響指標として尿中8-iso-PGFおよび尿中8-OHdG、尿中δ-アミノレブリン酸、尿中β2-ミクログロブリン、血清中KL-6、生活習慣病関連項目を調査する。交絡因子として生活習慣(喫煙、飲酒等)、既往・現病歴等を自記式調査票と問診により調査する。尿中8-iso-PGF濃度は固相抽出-HPLC法を、尿中8-OHdG濃度はカラムスイッチングHPLC-ECD法を用い測定する。統計解析は、曝露の有無による解析のほか,曝露群を曝露評価によって23群に分類した解析,曝露指標を連続変数とした解析を行う。未使用額の発生は、購入予定であった試料分析消耗品について、効率的な物品調達を行うため、部分的に翌年度にまとめて消耗品購入することにしたためである。次年度の研究費は、大部分を分析消耗品費用、健康影響項目測定費用、対象工場までの旅費に充当する予定である。
有機無機複合分子協調による光エネルギー変換機能の精密制御

1.高効率一重項分裂と長寿命三重項励起状態を同時に発現するペンタセン二量体二分子間において生じる分子内一重項分裂(SF)は、精密な分子構造の設計により電子的相互作用や生成した三重項の速度論的な制御が期待できる。しかしながら、リンカーの化学構造に起因した分子内一重項分裂を定量的に比較した例は極めて限られている。本研究では、リンカーの骨格間に歪みを導入した配向性の異なるペンタセン二量体を新規に合成した。吸収スペクトル測定において、歪んだ骨格を有するPcD-BiphおよびPcD-3Phは、直線的に連結したPcD-4Phに比べて弱い電子的相互作用が示唆された。この分子間相互作用の違いに伴い、一重項分裂の速度定数は減少するものの、その三重項量子収率(ΦT)はΦT =176% (PcD-Biph)と効率的に三重項状態が生成した。特に、PcD-Biphの励起三重項状態の寿命τTは360 ns(粘性溶媒では1μs)となり、PcD-4Ph (15 ns)に比べて大幅な長寿命化に成功した。2.ペンタセン修飾金ナノ粒子の高効率一重項分裂有機-無機複合体でSFを発現できれば、高効率エネルギー変換系への構築が期待できる。しかしながら、一般に金属表面上に被覆したπ共役系分子を光励起した場合、迅速な表面エネルギー移動(SET)によって励起エネルギーは金属表面へ大きく消光されてしまう。したがって、隣接する二分子間の超高速のSFにより励起三重項状態が生成できれば、励起状態そのものの長寿命化へと繋がる。そこで、約50個のペンタセン分子をチオール単分子膜で被覆した金ナノ粒子を新規に合成した。フェムト秒過渡吸収測定によりペンタセンの励起一重項状態から金表面への迅速なエネルギー移動を抑え、ΦT = 172%という高い三重項量子収率で金属表面上でのSFの観測に初めて成功した。28年度が最終年度であるため、記入しない。有機薄膜や分子集合体内での励起子とキャリア電荷(正孔と電子)に関する生成・移動の制御は光エネルギー変換分野で非常に重要な課題である。本研究の一つとして、光エネルギー系への展開を視野に自己組織化単分子膜法(SAMs法)を用いた有機無機ハイブリッド材料の励起ダイナミクス制御に取り組んでいる。本研究で用いる色素修飾チオール単分子膜で保護された金属ナノ粒子(monolayer-protected gold clusters: MPCs)の重大な問題点として有機色素を励起した場合、迅速なエネルギー/電子移動による金属表面への著しい励起子失活(報告例の多くは90%以上の蛍光消光)が挙げられる。また、項間交差に伴う励起三重項の形成もほぼ皆無である。そこで本研究では、金表面上で高効率かつ長寿命の励起子の形成を目指して一重項分裂の利用に着目した。具体的には、異なるアルキル鎖(n = 7, 11)と粒径(X = S, L)を有するTIPS-ペンタセンアルカンチオール修飾金ナノ粒子(TP-Cn-X-MPC)と種々の参照化合物を合成し、時間分解分光法を用いて高効率かつ長寿命な励起子生成を確認した。TP-C11-S-MPCのフェムト秒吸収スペクトル測定をトルエン溶液中で行った。励起波長600nmで光照射後、数psから20ps程度の時間領域でTIPS-ペンタセンのT-T吸収に対応するシグナルが観測され、一重項分裂の進行が確認された。TP-C11-S-MPCの三重項量子収率は172%と決定することができ、金表面上へのエネルギー失活を抑え、ほぼ量論的に一重項分裂が進行していることが明らかとなった。本研究はペンタセン二量体やペンタセンアルカンチオール修飾金ナノ粒子において高効率多励起子生成に成功しており、予定通りもしくはそれ以上のペースで進展している。

しかしながら、一般に金属表面上に被覆したπ共役系分子を光励起した場合、迅速な表面エネルギー移動(SET)によって励起エネルギーは金属表面へ大きく消光されてしまう。したがって、隣接する二分子間の超高速のSFにより励起三重項状態が生成できれば、励起状態そのものの長寿命化へと繋がる。そこで、約50個のペンタセン分子をチオール単分子膜で被覆した金ナノ粒子を新規に合成した。フェムト秒過渡吸収測定によりペンタセンの励起一重項状態から金表面への迅速なエネルギー移動を抑え、ΦT = 172%という高い三重項量子収率で金属表面上でのSFの観測に初めて成功した。ペンタセン二量体やペンタセンアルカンチオール修飾金ナノ粒子ともに励起三重項状態の更なる長寿命化・高効率化を達成すべく展開する。特に、ペンタセンアルカンチオール修飾金ナノ粒子では粒子サイズ等の更なる制御を行い、高効率太陽電池への展開を試みる。28年度が最終年度であるため、記入しない。
Gタンパク質共役型受容体G2Aの活性化機構解明および生体内における機能解析

(1)G2Aの点変異体で、pH感受性を保つたまま、LPC感受性を失った変異体の作成に成功した。このことはLPCとヒトG2Aとの直接の相互作用を示唆するとして、現在、放射性標識されたLPCを用いてLPCとG2Aの相互作用を確認中である。(2)一方で、LPCとG2Aの相互作用の有無を検討するため、Biacoreを用いた系も検討するべく準備を進めている。2.ヒトG2Aのプロモーター解析(1)ヒト末梢血を用いた5'RACEの結果より決定した転写開始点をもとに、その直上のプロモーターに結合する因子を同定した。(2)当該プロモーター領域と、認識転写因子との直接的結合をChIP解析により検出し、in vivoにおける、転写因子とcis-エレメントの相互作用も示された。現在投稿中である。3.ヒトG2Aの細胞内輸送解析(1)工学部・長棟輝行研究室の構築した、細胞膜表面に存在する受容体のみをラベル化する技術を用い、G2Aの細胞膜近傍における受容体の動きを経時的に観察した。LPCと細胞外pH依存的に、細胞膜表面のG2A受容体がinternalizeされる速度に差がある結果が得られ、現在そのメカニズムを生化学的に解析中である。(1)放射性同位元素によりラベルされたLPCを用いて、ヒトG2Aとの相互作用を調べたが、目下、直接的結合は確認出来なかった。(2)しかし、pH刺激により、G2Aの下流シグナル分子であるsmall GTPase, Rhoが活性化され、その活性化がLPCにより抑制されることが示された。このことから、i)LPCはG2Aとの直接の相互作用を介さず、G2A受容体とGタンパク質との相互作用に影響を与える、ii)活性化にGタンパク質共役型受容体の多量体化が必要とすれば、LPCによりそれが妨げられている可能性が考えられ、今後これらの可能性について検討を重ねることとしたい。(3)タンパク質との直接の相互作用を調べるため、ビアコアを用いた系を立ち上げる計画はあるが、優先順位は低い。ヒトとマウスのG2A遺伝子領域には、シンテニーはあるが、遺伝子そのものの相同性は高くない。また、in vitroにおけるpH感受性も、ヒトG2AとマウスG2Aでは大きく異なる。このため、当初計画していたトランスジェニックマウスの作成はおこなっていない。3.ヒトG2Aのプロモーター解析(1)ヒト末梢血RNAを鋳型とした5'RACEにより、G2Aの転写開始点を同定した。(2)ヒトG2A遺伝子ORF全長を用いたNorthern解析をおこなうことにより、長さの異なる産物が検出され、その各々にプロモーター領域を想定して解析を進めている。同定した転写開始点より上流部位を用いたレポーター遺伝子解析と並行して、ゲルシフト解析をおこない、転写活性化に必要なシスエレメント、それに結合する転写因子の同定に向かって研究を進めている。(1)繰り返し実験によっても、LPCとヒトG2Aとの直接の相互作用は確認出来なかった。(2)一方で、LPCはヒト・マウスのG2Aに何らかの作用を持つとする文献が数報発表された。今後はその作用メカニズムを解明する予定である。当初予定していたトランスジェニックマウスの作成は、ヒトとマウスの相同性の低さのために中止した。しかし一方で、Northern解析において検出されたLong,Shortの二種類の転写産物の役割分担の解析を行った。Long,shortの転写産物は組織特異的に分布する物もあり、アミノ酸配列もN末の一部で異なる事から、その細胞外プロトンの感受性において何らかの役割分担を行っている可能性が考えられた。現在投稿準備中である。3.ヒトG2Aのプロモーター解析(1)ヒト末梢血を用いた5'RACEの結果より決定した転写開始点をもとに、その直上のプロモーターに結合する因子の一つをEMSAによって同定した。(2)細胞株を用いたDNase Hypersensitivity assayにより、転写開始点付近のいくつかのDNase高感受性領域を同定し、その詳細なマッピングを行った。今後それぞれの領域について、ヒトG2A遺伝子の転写制御に与える影響を解析予定である。当該プロモーター領域と、認識転写因子との直接的結合を検出するために、ChIPassayを立ち上げた。今後、候補因子の検討および、転写開始点周囲のエピジェネティックな制御についても、検討予定である。現在投稿中である。3.ヒトG2Aの細胞内輸送解析

(1)工学部・長棟輝行研究室の構築した、細胞膜表面に存在する受容体のみをラベル化する技術を用い、G2Aの細胞膜近傍における受容体の動きを経時的に観察した。LPCと細胞外pH依存的に、細胞膜表面のG2A受容体がinternalizeされる速度に差がある結果が得られ、現在そのメカニズムを生化学的に解析中である。
極薄シリコン層上への低欠陥ゲルマニウムのエピタキシャル成長

SOI(Si-on-Insulator)ウエハ上へ低転位のGe層をエピタキシャル成長することを目指し、上部Si層を極薄化およびパターン化したSOIウエハ上へGe成長を行った。上部Si層への転位導入を期待していたが、転位が発生する前に形状変形・SiGe混晶化によるひずみ緩和が起こり、Ge/Siの層状態を維持できずに凹凸が発生した。層構造を維持し、かつGeを低転位化するには、成長温度の低下などを検討する必要がある。本研究では、SOI(Si-on-insulator)ウエハ上へ無転位のGe層(1 um)をエピタキシャル成長することを目標とする。SOIウエハ上へのGe成長は、Ge光デバイスをSiチップへ集積する上で重要な技術である。しかし、GeはSiに比べて格子定数が4%大きく、無転位のGe成長は実現できていない。本研究では、新しいアプローチとして、数nm数10nmに極薄化したSOIウエハの上部Si層(以下、SOI層)をパターン化し、Ge成長を行う。Geの膜厚が臨界膜厚(数nm)を超えると、Ge中の圧縮格子ひずみの緩和に伴い、通常はGe中に貫通転位が導入される。ここでは、SOI層を極薄化・パターン化することで機械的強度を低下させ、Geの格子緩和時にSOI層中への転位導入を試みる。Ge中での転位発生の抑制による高品質化を期待している。平成25年度は、まず、成長用の基板となるSOIウエハの薄層化を行った。6インチSOIウエハ(SOI層95nm、埋め込みSiO2層400nm)を2インチにサイズダウンし、その後熱酸化を行った。熱酸化膜の厚さは183nmであり、SOI層を約15nmまで薄層化できた。また、Si上Ge成長の低温化を試みた。薄いSOI層上での成長においては、SOI層の平坦性の維持およびGe層への転位導入を防ぐために成長の低温化が効果的と考えられる。従来は、成長温度600°Cで平坦なGeを得ていたが、530°Cにおいでも平坦なGe層が形成できることが明らかとなった。今後、SOI層のパターン形成およびGe成長の初期検討を実施する予定であるが、SOI層のパターン化に必要となるウエットエッチングに関して、TMAH溶液によるSiエッチングが利用できることが明らかとなった。本研究では、SOI層を極薄化・パターン化することで機械的強度を低下させ、Geの格子緩和時にSOI層中への転位導入を試みる。平成26年度は、前年度のプロセス開発をもとに、極薄化(約10nm)・パターン化したSOIウエハを作製し、さらに超高真空化学気相堆積法によりGe選択成長を実施した。ソースガスにはAr希釈GeH4を用い、低温Ge緩衝層を用いる二段階成長(370/600°C )を行った。通常のSiウエハやSOIウエハでは平坦なGe(膜厚500nm)が得られる条件を用いたが、極薄化・パターン化したSOIウエハ上には平坦な表面は得られなかった。成長前熱処理の条件を変更した範囲では、平坦なGe層は得られていない。他の成長条件を変化させるなど、極薄化・パターン化したSOIウエハ上へ平坦なGe成長を実現できるかを明らかにし、その後、Ge層の低転位化に対する効果を明らかにする予定である。しかし、GeはSiに比べて格子定数が4%大きく、無転位のGe層の成長は実現できていない。本研究では、新しいアプローチとして、数nm数10nmに極薄化したSOIウエハの上部Si層をパターン化し、Ge成長を行った。上部Si層を極薄化・パターン化することで機械的強度を低下させ、Geの格子緩和時にSOI層中への転位導入を試みた。平成27年度は、前年度に引き続き、上部Si層を極薄化(約10 nm)・パターン化したSOIウエハを作製し、超高真空化学気相成長法によりGe(0.5 um)の選択成長を行った。ソースガスにはAr希釈GeH4を用い、低温でGe緩衝層を形成する二段階成長を用いた。

バルクSiウエハや比較的厚い上部Si層(200 nm程度)をもつSOIウエハでは平坦なGe層を形成できたが、上部Si層を極薄化・パターン化したSOIウエハでは平坦な表面が得られなかった。成長前の化学溶液処理・真空中熱処理や成長条件を変更したが、検討した範囲では平坦なGe成長を実現できていない。上部Si層への転位導入前に、形状変形によりひずみ緩和が起こり、Ge/Siの層状態を維持できずに凹凸が発生したと考えられる。上部Si層の機械的強度を低下させた効果と言えるが、層状態を維持するためには成長温度の一層の低下などを検討する必要があると考えられる。SOI(Si-on-Insulator)ウエハ上へ低転位のGe層をエピタキシャル成長することを目指し、上部Si層を極薄化およびパターン化したSOIウエハ上へGe成長を行った。上部Si層への転位導入を期待していたが、転位が発生する前に形状変形・SiGe混晶化によるひずみ緩和が起こり、Ge/Siの層状態を維持できずに凹凸が発生した。層構造を維持し、かつGeを低転位化するには、成長温度の低下などを検討する必要がある。極薄SOI層のパターン形成とGeの結晶成長を実施でき、おおむね順調に進展していると判断している。半導体工学当初の計画通り、極薄化・パターン化したSOIウエハ上へのGe選択成長を進める。成長温度などの成長条件を変化させることで、極薄化・パターン化したSOIウエハ上へ平坦なGe成長を実現できるかを明らかにする予定である。極薄SOI層上へGeを成長した際に本質的に表面粗さが増加するかどうかを見極める。平坦なGe層の形成が可能な場合には、Ge層の低転位化に対する効果を明らかにする。パターン形成の予備実験には至らなかったが、Ge成長の低温化が可能になるなどの成果が得られ、おおむね順調に進展していると判断している当初の予定通り、SOI層のパターン化とGe成長の初期検討を実施する。まず現有のフォトリソグラフィーにより、極薄化したSOI層をパターン化する。主にSOI層のパターン幅をパラメータとして変化させる予定である。SOI層のエッチングにはウエットエッチングを用い、側壁に(111)ファセット面をもつようなパターンを形成する。その後、パターン化したSOI層上へUHV-CVD法によりGeの選択成長を行う。Ge成長のソースガスには、Ar希釈GeH4を用いる。平坦なGeが得られるように、低温Ge緩衝層を用いる二段階成長を行う。すなわち、成長初期に低温(370°C)で30nm程度のGe緩衝層を形成し、その後530°Cあるいは600°Cで正味0.5um程度のGeを成長する。
ヒト骨化黄色靭帯由来培養細胞を用いた骨化伸展制御因子の特定

脊柱靭帯骨化巣の進展様式は内軟骨骨化の形態をとるといわれている。本研究では、手術時に採取した後縦靭帯骨化もしくは黄色靭帯骨化の病巣を含んだ骨化靭帯組織を利用して、骨化前線部の細胞の持つ遺伝子特性について研究した。マイクロアレイ解析では、骨化巣を含むサンプルでIhh、Runx 2の遺伝子発現の増加がみられ、その他、Ihh signalingのGLI2, GLI3やSox9, BMP2, VEGF, COL 11 A2などの遺伝子発現の上昇がみられた。また、Hedgehog signalingのpathway解析ではIhh、受容体であるGLI2、GLI3、PTCHを含む7個の遺伝子の発現上昇が確認できた。骨化巣から得た培養細胞にcyclic tensile strainを加えたところ、Ihh signalingに関与する遺伝子の発現変化が確認でき、またWestern Blotting法でタンパク発現量での半定量的評価では、cyclic tensile strainによるタンパク発現の増加がみられた。免疫組織学的な検討では、Ihh、Sox9は前肥大軟骨細胞、Runx2は肥大軟骨細胞で陽性細胞が多く観察できた。PTHrPは前肥大軟骨細胞、肥大軟骨細胞層に多く見られ、GLI2、GLI3は前肥大軟骨細胞層に陽性細胞が多くみられた。四肢の内軟骨骨化で重要な役割を果たすIhh signalingのcyclic tensile strainによる発現亢進が骨化巣進展に関与している可能性が考えられた。
相互教授法による援助提供行動が非主張的な児童の学業達成に及ぼす効果

○研究の目的町・中谷(2014)は算数グループ学習に, Palincsar & Brown(1984)による相互教授法(Reciprocal Teaching ;以下RT)の基本的枠組みを適用することで,学習課題に関連した深い発話の割合や,学業達成度が向上することを示した。しかしこれらの効果は,児童個人の社会的特性によって異なることが指摘されており,十分なRT介入効果を得るためには,児童の社会的特性に応じた支援について検討することが必要である。本研究では,グループ学習への参加に抵抗感の強い児童の中から非主張的な児童に焦点を当て、RTに援助提供行動を促進する教示を加えた教授方略の介入効果を検討する。○研究方法本研究では、これまで認知的側面に焦点を当てられてきた援助提供行動を、「共感性」というキーワードをもとに、認知・情動の両側面から統合的にとらえる。まず質問紙調査と担任教師に対する聞き取り調査の結果から、非主張的な社会的特性をもつ児童(A児)を抽出する。次に、グループ学習場面において、RTの基本的枠組み(町・中谷, 2014)に、認知的・情動的援助提供行動を促進する教示を加えた介入を行い、非主張的な児童(A児)及び学級全体の児童に対する介入効果を,学業達成度・発話分析という2つの側面から検討する。○成果RTに援助提供行動の情動的側面を促す教示を加えた結果,通常のグループ学習では,緊張して固まってしまうことの多いA児が,途中からグループ学習に前向きに参加し,学業達成度を向上させることができた。話し合いのプロセスを分析した結果,同グループの友達からの「待つ」という情動的側面への援助提供行動(共感的配慮行動)が, A児の学習への参与を促した可能性が示された。本研究では、共感性というキーワードにより援助提供行動をとらえることで、今まで見落とされがちであった,援助提供行動の情動的側面にも焦点を当てて支援することの重要性を示すことができた。
ヒトゲノム遺伝子間領域から発見された新規タンパク質AGD3の機能解明

本研究の目的は、ヒトゲノムの機能未知な転写領域から発見した新規タンパク質遺伝子AGD3の機能を明らかにすることにある。24年度は2つの方向からこの目的達成を試みた。1つめとして細胞内局在を評価した。AGD3タンパク質は63アミノ酸からなる此較的小さいタンパク質であり、そのN末端配列は脊椎動物内で非常に保存されている。そしてこのN末端配列は、これまでにミリストイル化とパルミトイル化の2重のアシル化を受ける配列と一致したことから、その検証を行った。ヒトのミリストイル化酵素の組換え体を精製したのち、AGD3のN末端のメチオニンを除いたペプチド断片とミリストイルCoAと混合したところ、そのN末端がミリストイル化されることを質量分析によって確認できた。またこの修飾に必須の2番目のグリシンをアラニンに置換したところ、このインビトロでのアシル化は確認されなかった。またこのグリシンは、AGD3が細胞内で形質膜上にドット状に分布するのに必須であることが免疫染色実験で明らかになっている。以上の結果から、AGD3はアシル化によって、形質膜上のラフトに局在して、細胞内シグナル伝達に関与していることが示唆された。2つ目はキナーゼAktとの機能上の関連性を検証した。本年度に別のグループから、AGD3タンパク質がAktのリン酸化を阻害するという報告が発表されたので、その普遍性とメカニズムの解析を行った。その結果、細胞種によって、AGD3がAktをリン酸化する場合と脱リン酸化する場合があることが明らかとなった。本研究の目的は、ヒトゲノムの機能未知な転写領域から発見した新規タンパク質遺伝子AGD3の機能の解明である。AGD3遺伝子は、脊椎動物種間で保存された63アミノ酸長の短いタンパク質を翻訳するが、そのタンパク質機能は全く分かっていない。本研究ではヒト培養細胞を用いて、AGD3タンパク質の細胞内機能を明らかにすることを第一目的とした。初年度は、細胞内でAGD3と結合するタンパク質の探索を進めた。結合タンパク質の機能が分かっている場合には、AGD3も同様の機能、またはその制御に関わっている可能性が高いからである。はじめに、抗AGD3ポリクローナル抗体を用いてAGD3を含む複合体の免疫沈降を試みた。しかしながら、抗体への非特異的結合に由来するタンパク質が多く検出され、AGD3と特異的に結合するタンパク質の同定には至らなかった。そこで、マウス抗AGD3モノクローナル抗体の作製を行い、より抗原特異性の高い2種類の抗体産生細胞を単離した。その後これら抗体を用い、免疫沈降条件の最適化を進めている。一方で、AGD3の発見から機能解析に至る過程で確立した方法論を活かし、機能未知のヒトゲノム転写領域から新たに8種類の新規タンパク質遺伝子候補を抽出した。そして、それらの結合タンパク質を免疫沈降および質量分析により同定した結果、69アミノ酸長の新規タンパク質が、プロテインキナーゼA(PKA)の調節サブユニットと結合することが明らかになった。この発見により、ヒトゲノムの機能未知転写領域からは、AGD3の他にも多様な機能を有する低分子量タンパク質が翻訳されていることが示唆された。今後、遺伝子ノックダウン実験とその表現系解析などを行い、これら低分子量タンパク質の機能を明らかにすることで、機能未知転写領域の生物学的意義の理解に繋がることが期待される。本年度は、AGD3の相互作用タンパク質の同定を主な目的としていたが、実際にAGD3と特異的に相互作用するタンパク質の同定には至らなかった。しかしながら、目的達成のために作製したモノクローナル抗体は、免疫沈降実験のみならず今後のAGD3機能解析研究に有力であると期待される。今後は、以下の2つのアプローチを並行して遂行し、AGD3の細胞内機能の解明を達成する。1.相互作用タンパク質の同定2.siRNAによる遺伝子ノックダウンと、細胞の表現系評価

1.に関しては、初年度の研究において最適化した免疫沈降法を利用してAGD3とその相互作用タンパク質を共沈降させる。2.については、これまでの観察結果からAGD3は細胞内シグナル伝達の調節に関わっている可能性が高いと考えられるため、シグナル調節を行うタンパク質の機能に対する影響を調べる。そして、双方の知見を合わせ考え、AGD3タンパク質の機能発現メカニズムの解明を目指す。
巨大地震により生じた湾奥部汽水域の環境再生機構の解明と環境価値の評価

東日本大震災の津波で破壊された宮城県気仙沼・舞根湾と流域を対象として,流域圏の物質循環が沿岸生態系におよぼす影響を研究した.フルボ酸様物質は広葉樹林と耕作地が負荷源として重要であり,降雨時に増大した.河口付近の海域表層では降水量と全鉄濃度の相関がみられ,外洋の影響を受ける測点と挙動が異なった.魚類の個体数と種数は2年目までに急激に増加し,以後は安定した.津波による撹乱が大きかった湾奥では回復が遅かった.震災で出現した塩性湿地では,1年後には独特の仔稚魚相が形成された.震災干潟には水産有用種であるアサリの他に希少種の貝類も出現し,生育環境として標高と地盤材料が重要であることが示された.気仙沼大川において水位計・濁度計を設置し,洪水時の土砂流出状況をモニタリングした.また,気仙沼湾の海底泥を50箇所採取した.粒度分析および三次元蛍光強度分析を行い,平常時と洪水時に発生する物質が堆積しやすい海域を明らかにした.また,これらの土砂サンプルの放射性セシウム濃度を測定した.微生物機能を遺伝子組成から解析するため,湿地,河川水,海水および海底堆積物のほか,ヨシ等の付着微生物を採取し,冷凍保存した。気仙沼湾および舞根湾に流入する河川の上流から下流までの水質分布を調査した.硝酸態窒素やアンモニア態窒素,全リンといった栄養塩物質は,流域に占める農地や市街地面積が高いほど濃度が高かった.震災で河口に塩性湿地が創出した河川では,湿地における硝酸消費・アンモニア生成プロセスにより,沿岸域に輸送される栄養塩の組成が大きく変化した可能性が考えられた.海水中の鉄濃度の挙動に関して,栄養塩濃度や濁度・クロロフィル濃度などと合わせて評価を行った.その結果,鉄濃度については震災による津波の影響というよりは降水量との相関があることが明らかとなり,河川の影響を示唆する結果が得られた.舞根湾および湾奥の新生湿地において,底性小型魚類および仔稚魚群集の震災後の回復過程を調べるために,2ヶ月に1回の桁網および曳き網採集調査を行った.採集個体数および種数やその季節変化には前年度と比べ顕著な違いがなかったが,種組成が大きく変化した定点があるため,群集構造はまだ安定的になっていないと考えられた.干潟におけるアサリの個体群動態の解明を目的に6週間に1回の頻度で干潟においてコドラート調査を行った.ハッセルブラッド法により個体群の令構成を分離することで,稚貝の加入時期,成長,令ごとの密度変化等の一端を明らかにした.本研究では,宮城県気仙沼市の大川・西舞根川・気仙沼舞根湾を対象として,物質循環と生態系の構造について調査研究を進めた.テーマは(1)基本視点としての森里海連環,(2)湿地・干潟の物質循環,(3)生態系構造とその時間変化,(4)生態系サービスの定量化である.(1)では,大川流域で洪水時に濁水採取を実施し,粒径別にセシウム濃度を分析した.中央粒径0とCs濃度の関係として,粒径が大きくなるほどCs濃度が低下する傾向が見られた.洪水の上昇期ではその傾向が明瞭で,下降期には不明瞭であったが,これは降雨による表土の浸食過程と関係していると考えられた.また,流量とCs輸送量の関係式を提案し,流域から海域へのCs輸送量を推定することを可能にした.気仙沼湾における海水中の鉄濃度の挙動に関して,新たに溶存鉄のほかに全鉄(T-Fe)の分析を行い,窒素・リン(栄養塩、T-N、T-P)や濁度・クロロフィル濃度などと合わせてモニタリングを行った.その結果、溶存態と懸濁態の割合や挙動に関する知見が新たに得られた.(2)では,河川・湿地の水質を調べた結果,農作地がNO3-N,市街地がNH4-Nのソースとして重要であることが分かった.また大川下流ではNH4-Nの一時的な濃度上昇が見られ,被災地における排水処理場や水産加工場の復興が寄与していると推測された.(3)では,2ヶ月に1回,気仙沼湾内外4-5地点での桁網を用いた小型底生魚類群集モニタリングと,湾奥河口および新生湿地での曳き網を用いた仔稚魚調査を行った.桁網調査については,2011年秋以降の結果をまとめ群集の変動要因について検討した.(4)では,干潟ベントス群集のモニタリングの結果,種多様性は急激に変化し,特に最優占種であったアサリは減少し,ホソウミニナと入れ替わった.アサリの幼生の発生時期が夏季の一時期に集中していることを明確にした.本研究では,宮城県気仙沼市の大川・西舞根川・気仙沼舞根湾を対象として,物質循環と生態系の構造を調査研究した.テーマは(1)基本視点としての森里海連環,(2)湿地・干潟の物質循環,(3)生態系構造とその時間変化,(4)生態系サービスの定量化である.(1)では流域・河川・海域で水と土砂を採取し,溶存有機態炭素濃度と3次元励起蛍光特性を計測し,複数の腐植酸様物質とタンパク様物質に分離した.土地利用との相関解析を行い,各画分の供給源を考察した.さらに,全鉄・溶存鉄と窒素・リンの動態を解析し,河口域で降水量と全鉄濃度に相関がみられることを示した.つまり,鉄濃度の挙動は河川流量等と関係があることを示した.(2)では震災湿地において,1潮汐の水収支と栄養塩収支を調べた.

その結果,NH4-N,PO4-Pの溶出が見られ,湿地水中の植物プランクトンの吸収よりも底泥における分解作用が上回っていると考えられた.またNO3-Nの消費は,植物プランクトンの吸収に加えて,底泥における脱窒作用が寄与している可能性が考えられた.(3)では2ヶ月に1回,気仙沼湾内外4地点での桁網を用いた小型底生魚類調査と,湾奥河口および新生湿地での曳き網を用いた仔稚魚調査を行った.仔稚魚調査からは,新生湿地の魚類成育場としての利用が増加しつつあることが明らかとなった.また,魚類および無脊椎動物群集の津波による撹乱からの回復過程を明らかにするため,舞根湾内外の4地点において潜水目視調査を行った.2016年3月時点で,2ヶ月に1回の調査が通算で30回となった.(4)では,震災による陸地の湿地化から5年が経過し,ベントス多様性には干潟の場所ごとに明確な変化が現れた.特に,自然海岸に近い地点では種多様性は増加し,アサリの現存量も多かったが,地盤が高く護岸コンクリートが残存した場所では,逆の傾向を示すことを明らかにした.テーマ(1)基本視点としての森里海連環では,降水量と鉄・栄養塩(N,P)濃度の相関性について解析を進めることで,海域中の鉄・栄養塩の動態に及ぼす河川などの影響についての新たな知見を得ることができた.底質中の鉄含有量についても検討を開始しており,研究はほぼ予定通りに進捗している.テーマ(2)湿地・干潟の物質循環では,湿地における水収支を詳細測量と水位計算から求めたことで,栄養塩収支を精度良く見積もることができた.これにより,湿地を介した河川から海への栄養塩供給・吸収のメカニズムを考察することを可能にした.このように,研究は予定通りに進捗している.テーマ(3)生態系構造とその時間変化では,小型底生魚類調査,仔稚魚調査ともにほぼ計画どおりに実施できている.試料分析についても基本的な同定・計数・計測は順調に進捗している.また,目視潜水調査については,過去5年間のデータを解析し,長寿の生物ほど遅れて回復する傾向を明らかにした.それらの知見を論文としてとりまとめ,2016年2月にMarine Ecology Progress Series誌に投稿した.テーマ(4)生態系サービスの定量化では当初の予定通り,有用種であるアサリを含む干潟ベントス類の動態データの蓄積を継続した.アサリの加入プロセスに関しても詳細な調査を実施した.本研究では宮城県気仙沼市の大川・西舞根川・気仙沼舞根湾を対象として,物質循環と生態系の構造を調査研究をした.研究テーマは,1基本視点としての森里海連環,2湿地・干潟の地形形成過程と物質循環,3生態系構造とその時間変化,4生態系サービスの検討である.舞根湾奥の湿地において,水位・塩分・溶存酸素濃度の連続計測を行い,また,地形測量を行った.2012年の各種データと比較することで,湿地の地盤高が徐々に上昇していることを明らかにした.2ヶ月ごとに舞根湾・気仙沼湾において,鉄(全鉄、溶存鉄),窒素・リン(栄養塩,全窒素,全リン)などの定期的な水質環境調査を実施し,鉄を中心とした物質動態の考察を行った.また底質の鉄の形態別分析を行い,データを蓄積した.降水量と全鉄の関係から,河口域表層では河川流量等が海水中の鉄の動態に影響を与え,外洋の影響を受ける測点と挙動が異なることを示した.また,海水と海底堆積物を採取し,海水は2枚のフィルターを用いて,3μm以上画分と0.2μm以上で3μm以下の画分の粒子(細菌を含む)を回収した.さらに,1cmごとにスライスした海底堆積物とともに凍結保存した.湾奥河口および新生湿地での曳き網を用いた仔稚魚調査を行った.その結果,新生湿地が近隣の河口とはまったく異なる仔稚魚相を示すハビタットとして機能していることが明らかとなった.
核融合炉材料中の照射誘起ナノスケール欠陥クラスターによる硬化挙動の微視的評価

核融合炉材料の照射硬化の原因となる照射誘起欠陥と運動転位の動的相互作用の直接観察による硬化因子の同定および硬化量の定量的評価手法の確立を目的として,従来用いられてきた手法を遥かに上回る精密さを期待できる下記の手法を検討し確立した.高エネルギー粒子線照射設備として,京都大学エネルギー理工学研究所設置の高度エネルギー機能変換実験装置/材料実験装置(DuET)を使用した.DuETでは照射温度や損傷速度を広範囲で変化させることができるため,照射誘起欠陥の種類や分布を選択的に得ることが可能となった.TEM内引張その場観察試験用試料の作成に関しては,デュアルイオン(Fe^<3+>およびHe^+)照射した試料に対して,収束イオンビーム加工観察装置(FIB)による手法を検討するとともに電解研磨法の高度化により確立した.その場観察の録画に関しては,既存の設備であるハイビジョンCCDカメラを有効に利用し,民生用デジタルビデオ技術を採用することにより安価に構築することに成功した.本手法によるモデル研究として,酸化物分散強化(ODS)フェライト鋼中のイットリア分散粒子と運動転位の相互作用のTEM内引張その場観察を行い,分散粒子による転位の強いピン止め効果を直接確認することができた.照射誘起欠陥集合体(転位ループやキャビティ)の形成による照射硬化現象は,分散強化もしくは析出強化のモデルを応用して説明されているため,分散強化で確立した評価手法は,照射硬化の評価にも有効であると考えられる.本研究で確立された手法は,核融合炉材料の経年劣化評価あるいは予測を行う上で,有用な知見を提供するものである.平成14年度は,主に試料作製,照射試験および照射後材料特性の評価と,TEM内引張その場観察システムの開発を行った.以下に詳細を述べる.1.【試料作製】核融合炉構造材料候補材である低放射化フェライト鋼のモデル合金として,純Fe, Fe-9Cr合金,Fe-9Cr-1Ni合金を作製した.2.【高エネルギー粒子線照射試験】本研究所に設置されたDuETを用いて,1の試験片に対しFeとHeの二重イオンビーム照射を行った.また当初計画に加えて,TEM内引張試験法の確立のために,観察領域の設定が容易であり,イオン照射と比較してより単純な損傷組織を与えられる電子線照射試験を行った.3.【照射後組織・微小硬度評価】2において照射した試料を用いてTEM内引張試験を行う前に,損傷組織を評価する必要がある。そこで,陽電子寿命測定と通常のTEM観察により,照射によって形成した微小空孔集合体と格子間原子型転位ループの形態・数密度を評価した.更に,転位-欠陥相互作用とマクロ機械特性を関連付けるために,微小硬度測定を行った.これらの試験結果より,ある照射条件のもとでは純Fe中の照射硬化の主要因子が転位ループであるということが予測された.次年度の計画では,TEM内引張その場観察試験を行うことによって,実際に転位ループが運動転位とどの程度の相互作用を持つのかを直接評価する.4.【TEM内引張その場観察試験システムの開発】本研究所のTEMに付置されたHi-Visionカメラシステムは,本研究計画の遂行に不可欠な動画録画機能を持っていないため,システムの改造を行った.予備実験の結果,TEM内引張その場観察において必要な解像度を得ることが可能となった.また,FIBによる加工を行った試料のTEM内引張その場観察が可能な試料作製プロセスを確立した.核融合炉材料の照射硬化の原因となる照射誘起欠陥と運動転位の動的相互作用の直接観察による硬化因子の同定および硬化量の定量的評価手法の確立を目的として,従来用いられてきた手法を遥かに上回る精密さを期待できる下記の手法を検討し確立した.高エネルギー粒子線照射設備として,京都大学エネルギー理工学研究所設置の高度エネルギー機能変換実験装置/材料実験装置(DuET)を使用した.DuETでは照射温度や損傷速度を広範囲で変化させることができるため,照射誘起欠陥の種類や分布を選択的に得ることが可能となった.TEM内引張その場観察試験用試料の作成に関しては,デュアルイオン(Fe^<3+>およびHe^+)照射した試料に対して,収束イオンビーム加工観察装置(FIB)による手法を検討するとともに電解研磨法の高度化により確立した.その場観察の録画に関しては,既存の設備であるハイビジョンCCDカメラを有効に利用し,民生用デジタルビデオ技術を採用することにより安価に構築することに成功した.本手法によるモデル研究として,酸化物分散強化(ODS)フェライト鋼中のイットリア分散粒子と運動転位の相互作用のTEM内引張その場観察を行い,分散粒子による転位の強いピン止め効果を直接確認することができた.照射誘起欠陥集合体(転位ループやキャビティ)の形成による照射硬化現象は,分散強化もしくは析出強化のモデルを応用して説明されているため,分散強化で確立した評価手法は,照射硬化の評価にも有効であると考えられる.本研究で確立された手法は,核融合炉材料の経年劣化評価あるいは予測を行う上で,有用な知見を提供するものである.
レット症候群一卵性双生児のゲノム・エピゲノム比較解析に基づく発達障害遺伝子の同定

【研究の目的】これまでゲノムやエピゲノムの配列やパターンは、生涯変化しないと考えられてきた。しかしこれらが一卵性双生児間で異なることが報告され、この常識が覆されつつある。本研究の目的は、精神発達に著しい差異を認めるレット症候群の一卵性双生児例を対象に、ゲノム・エピゲノムの網羅的比較解析を行い、発達障害差異要因となった遺伝子の同定を行い、未だ確立していない後天的なゲノム変化の概念を確実なものにすることである。研究期間の1年目はゲノム面の比較解析を行い、101カ所のCNV(反復配列)領域の双子間差異を見いだした。2年目の今年度はエピゲノム面での比較解析を行った。【本年度の研究実績】エピゲノムの要素のうち、幼若期の環境要因による変化が生じうるDNAのメチル化修飾について、当該一卵性双子の網羅的比較解析を行った。方法はChIP on chip法を用いた。具体的には、メチル化CpGドメイン結合タンパク質の吸着ビーズを用いて、DNAメチル化領域を吸着させて回収し、これをヒトゲノム配列を網羅したDNAチップにかけた。その結果、全ゲノム(染色体)領域上で双子姉妹の姉(重症児)が高メチル化された領域が194箇所、妹(軽症児)が低メチル化された領域が109カ所見いだされ、これらの双子間エピゲノム差異遺伝子の中にはUBD2MP1、HIST1H2B2、GRINA、MECP2(対象患児が罹患しているレット症候群の責任遺伝子)が含まれていた。以上より、1.一卵性双生児間でもゲノムとヱピゲノムの違いがみられること、2.これらの違いが双子間の精神・神経症状の重症度の際に関連している可能性、が示唆された。今後、エピゲノム差異を呈した遺伝子の発現解析を行い、双子間の重症度差異との関連をさらに明確にする。【研究の目的】これまでゲノムやエピゲノムの配列やパターンは、生涯変化しないと考えられてきた.しかしこれらが一卵性双生児間で異なることが報告され、この常識が覆されつつある.本研究の目的は、精神発達に著しい差異を認めるレット症候群の一卵性双生児例を対象に、ゲノム・エピゲノムの網羅的な比較解析を行い、発達障害差異要因となった遺伝子の同定を行い、未だ確立していない後天的なゲノム変化の概念を確実なものにすることである。研究期間の2年間のうち、1年目はゲノムやエピゲノム解析で候補遺伝子を見いだし、2年目は病態との関連性を検証する。【本年度の研究実績】ヒトゲノム上のCNV(反復配列)領域を網羅したマイクロアレイで解析した結果、レット症候群の症状の軽重を呈した一卵性双生児間で、101カ所のCNVの双子間の違いが認められ、このうち5カ所はレット症候群の標的遺伝子(CLIC3、DYSF、GRIN1、GRIN1、GRINA、ID4)の領域内であった。またヒトゲノム上の遺伝子プロモーター領域を網羅したマイクロアレイで解析した結果、194カ所で重症な双子が軽症な双子より高メチル化されており、逆に109カ所で軽症な双子が重症な双子より高メチル化されていた。来年度は、CNV差異を認めた遺伝子については双子間での発現差異、アレイ法でメチル化差異を認めた遺伝子についてはメチル化差異のランキング上位の遺伝子にさらに絞り込み、bisulfite sequencing法などでメチル化差異の再確認を行い、確認のとれた遺伝子の神経系での発現や機能について調べ、双子間の発達障害症状の軽重を決めたメカニズムを明らかにする。
非線形ネットワークの制御技術法とその応用に関する研究

1.配水ネットワークの設計と制御法に関する研究:水供給の安定性とコストのトレードオフを明確にできる汎用設計法を完成し、さらにそれを発展させて既設管網を拡張するための最適設計法を開発した。すなわち、非線形最適化型のモデルを導き、実際の大規模問題にも十分対処しうる効率的な設計アルゴリズムを与えた。また、従来法を拡張した汎用管網計算法を提安し、極めて有用なアルゴリズムを導いた。さらに制御計画法と実時間制御法についても、数理的ならびに実際的にみて従来法を格段に改良する技法を開発した。これらの成果の中には、既に実用化されているものも少なくない。2.多自由度非線形回路における振動の理論的解析及びシミュレーション:基礎理論的にも、また実際上も重要なファン・デア・ポル型の多自由度弱ならびに強非線形発振回路について、われわれの開発した平均ポテンシャル法(一種の散逸関数法)を駆使して研究した。その結果、同期化、多重モードなどの振動の様態や安定性について、いくつかの新しい知見を得た。殊に、強非線形系では予想外の発見も多く、例えば2能動素子を含む回路の現象は、生物の概日リズムのメカニズム解明に新しい手掛りを与えると期待される。3.エネルギー供給ネットワークのマネージメントに関する研究:電力や都市ガス供給のシステムは複雑であるが、供給消費両者の効用を高めるようなロードマネージメントにつき、最適化及びゲームモデルによる研究を行った。4.自己組織化機能と結合可塑性をもった連想記憶回路に関する研究:非線形性とシステムの自己組織化機能の本質的な関係について考察した。特に、連想記憶の基本動作が認識モデルのパーセプトロンと統一的に記述できることを示し、画像信号などに対応する2次元配列素子群の動作特性を記述する新しい方法を提案した。さらに、動作に局所化及び非線形化を施すアイデアを導入し、多くの興味ある知見を得た。
情報技術とリモートセンシング技術を用いた農作物データ推定

遠隔地や大規模な農場の運営では,灌漑等の農作業の計画を適切に作成することが重要となる.農作業計画作成のために,農場の状態をリモートセンシングにより観測し,農作物の状態を解析する手法が注目されている.しかし,解析に必要な全ての情報をリモートセンシングにより入手できるわけではない,不足するデータを推定するためには長時間の計算が必要となるという問題があり,実用化への妨げとなっている.本研究では,リモートセンシング技術と情報技術を融合することにより,遠隔地の農作物状態を推定する技術を確立することを目指す.具体的には,リモートセンシングデータでは不足するデータを高速に推定する技術を開発する,また,リモートセンシングデータベースと連携して,不足データ推定を高速に実行するためのソフトウェアを開発する.H22年度は,衛星画像データの画像処理および可視化のために必要となるソフトウェアであるGRASS GIS中のモジュールを高速に実行するため,PCクラスタ上でのプログラム並列化を行った.具体的には,同モジュールを並列化プログラミング手法であるOpenMPおよびMPIを用いて並列化し,両者の性能比較を行った.また,農場の衛星画像データから雲などのノイズを取り除く処理を高速に実行するため,LMF手法を用いてノイズを取り除く処理をグリッドコンピューティング環境上に実装し,国立情報学研究所,東京工業大学,北海道大学の計算機を用いて評価実験を行った.次に,実証実験に必要なデータの調査として,平成21年度より行っている山形県内の水田地帯のフィールド調査および気象データ調査を進め,農作物の状態解析モデルであるSWAP (Soil Water Atmosphere Plant)モデルに必要な環境データの入手方法に関する検討を行った.遠隔地や大規模な農場の運営では,灌漑等の農作業の計画を適切に作成することが重要となる.農作業計画作成のために,農場の状態をリモートセンシングにより観測し,農作物の状態を解析する手法が注目されている.しかし,解析に必要な全ての情報をリモートセンシングにより入手できるわけではない,不足するデータを推定するためには長時間の計算が必要となるという問題があり,実用化への妨げとなっている.本研究では,リモートセンシング技術と情報技術を融合することにより,遠隔地の農作物状態を推定する技術を確立することを目指す.具体的には,リモートセンシングデータでは不足するデータを高速に推定する技術を開発する,また,リモートセンシングデータベースと連携して,不足データ推定を高速に実行するためのソフトウェアを開発する.平成21年度は,本研究を進めるために必要となるリモートセンシングデータの収集方法に関する検討を行った.このうち衛星画像データについては,山形県の水田地帯を対象として,ASTERやMODIS等の衛星センサが撮影した衛星画像の収集方法および航空機等が撮影したマルチスペクトル画像の収集方法について,産業技術総合研究所および東京工業大学の研究グループと連携することにより,これらのデータの収集方法を検討した.本研究が目指す遠隔地の農作物の状態推定では,衛星画像データの他に,農場の気象に関するデータや遠隔地の農場で栽培される農作物に関するデータも必要となる.このうち気象データのついては気象庁で公開されているデータを利用できることを確認した.また農作物データについては,Asia Pacific Advanced Networkのコミュニティに参加し,情報収集を行うとともに,東京工業大学の研究グループと連携することにより,これらのデータの収集方法を検討した.遠隔地や大規模な農場の運営では,灌漑等の農作業の計画を適切に作成することが重要となる.農作業計画作成のために,農場の状態をリモートセンシングにより観測し,農作物の状態を解析する手法が注目されている.しかし,解析に必要な全ての情報をリモートセンシングにより入手できるわけではない,不足するデータを推定するためには長時間の計算が必要となるという問題があり,実用化への妨げとなっている.本研究では,リモートセンシング技術と情報技術を融合することにより,遠隔地の農作物状態を推定する技術を確立することを目指す.具体的には,リモートセンシングデータでは不足するデータを高速に推定する技術を開発する,また,リモートセンシングデータベースと連携して,不足データ推定を高速に実行するためのソフトウェアを開発する.H22年度は,衛星画像データの画像処理および可視化のために必要となるソフトウェアであるGRASS GIS中のモジュールを高速に実行するため,PCクラスタ上でのプログラム並列化を行った.具体的には,同モジュールを並列化プログラミング手法であるOpenMPおよびMPIを用いて並列化し,両者の性能比較を行った.また,農場の衛星画像データから雲などのノイズを取り除く処理を高速に実行するため,LMF手法を用いてノイズを取り除く処理をグリッドコンピューティング環境上に実装し,国立情報学研究所,東京工業大学,北海道大学の計算機を用いて評価実験を行った.次に,実証実験に必要なデータの調査として,平成21年度より行っている山形県内の水田地帯のフィールド調査および気象データ調査を進め,農作物の状態解析モデルであるSWAP (Soil Water Atmosphere Plant)モデルに必要な環境データの入手方法に関する検討を行った.
ビデオ画像解析による水の色の自動監視手法の開発と利用

本研究では、親水環境の重要な評価項目である水の色の、常時監視手法の開発とその利用を目的として、水の透過光と散乱光のビデオ画像を撮影・解析する手法の開発と、それによる水質の自動監視への利用可能性について、総合的な研究を行った。その内容は、以下の通りである。1.装置の作成:試料容器内に試料水をポンプにて吸い込み、光源をビデオライトとする試料水の透過光と散乱光をCCDカメラ及びビデオ監視装置にて間欠録画できるよう、観測装置を作成した。2.ビデオ画像の解析方法の検討:録画した画像は、再生・変換してパソコンに取り込み、青、緑、赤の各色の強さを計算、表示できるよう、解析プログラムをC言語にて自作した。3.室内実験による検討:クロロフイル希釈溶液を用いた室内実験により、試料水の透過特性と散乱特性そのものを明らかにする方法を理論的な側面から検討した。その結果、試料水の画像データは、4つの透過特性と散乱特性の比に整理できることが分かった。4.現地調査による検討:実際に本装置を農業排水路(愛知県祖父江町および岐阜県海津町)に設置して、装置の稼働状況を確認した。また、それと並行して月に数回程度の水質調査を実施し、現地の汚濁状況の総合的な把握を行うと共に、試料水の画像データによる濁度、クロロフイル、その他の水質項目の推定方法についての検討を行った。その結果、本装置によりJISで採用されている水の色の単色表示指標の推定ができるだけでなく、濁度や、さらに調査地によってはCOD、BODなどの水質の推定も可能であることが分かった。5.水質推定への利用に対する検討:4.の結果を用いれば、採水調査を行っていない時間帯においても、水の色の単色表示指標はもちろん、いくつかの重要な水質項目が、本装置により推定できることを示した。