hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
超音波照射によって液体中に誘起される流れ

超音波照射によって液体中に誘起される流れのメカニズムを明らかにするために,シュリーレン法と音響化学発光による音場の可視化実験,高速ビデオ,レーザードップラー流速計(LDV),超音波流速計(UVP)を用いた速度計測を実施した.まず,周波数40kHZ,最大出力400Wの投げ込み式超音波洗浄器を利用して水槽内に定在波音場を形成させ液中に発生する流れを調べた.定在波音場では,(1)音圧の節を中心として,1/3波長スケールの上下1対の"お椀"型の音響キャビテーションの気泡雲(クラウド・キャビテーション)が存在し,(2)このクラウド全体は数cm/s6cm/sで音場中を準周期的に移動する.さらに,(3)このクラウド内部の気泡自身は数m/s6m/sの速度で運動する2重構造を有する音響キャビテーション流れが発生することを明らかにした.超音波は液体中で瞬時に定在波を形成するが,立体的な拡がりをもった水槽内で振動面の大きさが水槽内の大きさと比べて極端に小さい場合は,定在波としての性質が薄れ進行波としての性質が現れる.次に,周波数61kHz,最大出力20Wの小型のホーン型振動子を用いてホーン先端から発生する流れについて詳細に調べた.(4)ホーン先端には円錐状のクラウド・キャビテーションが観察され,(5)ホーン先端からは速度一定のポテンシャル・コア領域、それ以降では距離の逆数に比例して減速していく速度0.10.8m/sの音響キャビテーション噴流が発生する。さらに,(6)この噴流が熱伝達率を飛躍的に増加させることを確認した.音響キャビテーション流れや音響キャビテーション噴流の発生は,従来の超音波音響流とは全く独立して存在する.これらの流れは音響キャビテーションが音響放射力を受けて音場中を移動することにによって引き起こされる.超音波を照射によって液体中に誘起する流れのメカニズムを明らかにするために,超音波によって水槽内に発生する流れを実験的に調べた。数10kHz帯の低周波数の超音波を液体中に照射すると,キャビテーション気泡(音響キャビテーション)が音響放射圧を受けて液体中を運動する流れが発生する.このキャビテーション気泡流れには数mm/s程度の随伴流が存在することがレーザードップラー流速計(LDV)の計測から明らかになった.この流れはしばしば超音波音響流と混同されてきたが,この流れは従来の音響流とは全く別の流れである.水中では,キャビテーション気泡が音圧の節を中心軸とした強制渦流れとなる.また,シリコンオイル中では気泡が振動面から上方に流れる直進型の気泡流れが発生する.これらの気泡流れをCavitation bubblestreaming(以下CBS)と呼ぶことにした.気液混相流れのであるこのCBSの速度をレーザードップラー流速計で実測するには技術的に非常に難しかったので,本研究では超音波流速分布計(UVP)を用いて計測する方法を提案した.UVPはレーザーと比べて波長が長いので,トレーサ粒子として100μm程度の粒子が用いられている.このスケールは音響キャビテーションの共振気泡径のオーダーと一致するので,UVPを利用すればトレーサ粒子を流体に添加することなく,キャビテーション気泡自身の運動を測定できる.キャビテーション気泡崩壊時に発生する超音波ノイズがほとんどなかったシリコンオイル中で計測を試みた結果,トレーサ粒子として169μmのポリエチレン粒子を混入した場合とそうでない場合のCBSの速度は,トレーサの有無に関わらず数cm/s10cm/sであった.キャビテーション気泡がUPVのトレーサ粒子として作用するため,音響キャビテーションの速度測定にUVPは極めて有効な手段となることが明らかになった.超音波照射によって液体中に誘起される流れのメカニズムを明らかにするために,シュリーレン法と音響化学発光による音場の可視化実験,高速ビデオ,レーザードップラー流速計(LDV),超音波流速計(UVP)を用いた速度計測を実施した.まず,周波数40kHZ,最大出力400Wの投げ込み式超音波洗浄器を利用して水槽内に定在波音場を形成させ液中に発生する流れを調べた.定在波音場では,(1)音圧の節を中心として,1/3波長スケールの上下1対の"お椀"型の音響キャビテーションの気泡雲(クラウド・キャビテーション)が存在し,(2)このクラウド全体は数cm/s6cm/sで音場中を準周期的に移動する.さらに,(3)このクラウド内部の気泡自身は数m/s6m/sの速度で運動する2重構造を有する音響キャビテーション流れが発生することを明らかにした.超音波は液体中で瞬時に定在波を形成するが,立体的な拡がりをもった水槽内で振動面の大きさが水槽内の大きさと比べて極端に小さい場合は,定在波としての性質が薄れ進行波としての性質が現れる.次に,周波数61kHz,最大出力20Wの小型のホーン型振動子を用いてホーン先端から発生する流れについて詳細に調べた.(4)ホーン先端には円錐状のクラウド・キャビテーションが観察され,(5)ホーン先端からは速度一定のポテンシャル・コア領域、それ以降では距離の逆数に比例して減速していく速度0.10.8m/sの音響キャビテーション噴流が発生する。さらに,(6)この噴流が熱伝達率を飛躍的に増加させることを確認した.音響キャビテーション流れや音響キャビテーション噴流の発生は,従来の超音波音響流とは全く独立して存在する.これらの流れは音響キャビテーションが音響放射力を受けて音場中を移動することにによって引き起こされる.
パルス性地震動と長周期地震動に対する免震構造の制御

パルス性地震動と長周期地震動に対する免震構造の安全性と機能性を高めるために、床応答加速度と応答変位を低減することを目的とした。磁気粘性流体(MR流体)を用いて粘性を可変にできる回転慣性質量ダンパー(MR回転慣性質量ダンパー)を製作し、解析およびリアルタイムハイブリッド実験によって、制御効果を検証した。セミアクティブ制御により、標準的な入力地震動の他、断層近傍のパルス性地震動や長周期地震動など建築基準法の水準を超える多様な地震動に対して、最大床応答加速度を平均6%程度、最大応答変位を平均28%程度低減するなど、床応答加速度を抑制しながら、免震層の応答変位を低減できることが明らかになった。内陸型地震の断層近傍で発生するパルス性地震動ならびに海溝型地震による長周期地震動によって、免震構造の安全性・機能性が脅かされる。これらに対し、セミアクティブおよびパッシブの振動制御装置によって、免震構造の安全性・機能性の両方を向上させる技術を提示することを目的とする。平成24年度には回転慣性MRダンパーの製作を予定した。その設計の詳細を詰める段階で、2つの可能性に気づき、それらの合理性を追求することとした。1つは、回転慣性を生み出す回転体とピストンを直結して、回転体と外筒の間に磁気粘性流体(MR流体)を封入するものである。これは回転慣性の効果によって、床応答加速度を低減し、MR流体に磁場を印加することによってMR流体の見かけの粘度を高め、応答変位を低減することを意図したものである。これを回転慣性固定式とよぶ。もう1つは、回転体をピストンから切り離し、両者の間にMR流体を封入し、必要に応じてMR流体に磁場を印加することにより、クラッチのように回転体とピストンを連結する機構で、床応答加速度の低減を主眼とするものである。これを回転慣性可変式とよぶ。理論的な考察および数値シミュレーションの結果、前者の回転慣性固定式の方が多くの場合に有効であることが確認できたので、回転慣性固定式の回転慣性MRダンパーの製作にとりかかった。これは過去に例のないダンパーで製作し実験によって、その有効性を検証することが有意義で、研究的重要性が高い。次に、制御を行ったにも関わらず免震構造が擁壁に衝突した際の損傷制御の研究に着手するために、解析モデルの検討を行った。免震構造が擁壁に衝突した際に損傷を解析で予測するために、部材モデル、多質点系モデル、1質点系モデルで解析したところ、1質点系モデルでは、免震層の応答加速度の評価さえも困難であることから、多質点系モデルが不可欠であることが明らかになった。本研究は、免震構造の床応答加速度を上昇させないで、応答変位を低減する制御方法によって、パルス性地震動と長周期地震動のいずれに対しても適用可能な制御を行うことを目的としてきた。初年度および2年度目の研究の結果、回転慣性質量によって床応答加速度を低減し、必要に応じて粘性減衰を付加することで応答変異も低減できることが期待できた。そこで磁気粘性流体(MR流体)を用いて粘性を可変にできる回転慣性質量ダンパー(MR回転慣性質量ダンパー)を製作し、解析およびリアルタイムハイブリッド実験によって、パルス性地震動および長周期地震動に対する免震構造の制御効果を検証した。まず固有周期4秒の免震構造物モデルを対象として、周波数領域における伝達関数および地震動に対する時刻歴応答の観点から検討を行った。周波数領域における伝達関数から、回転慣性の質量比を適切に設定することにより、減衰を大きくするよりも加速度伝達率および変位伝達率をともに小さくできる領域があることを示したが、質量比と減衰比を調整することにはトレードオフ関係があり、それはパッシブ制御のみでは解消できないことが明らかになった。そこでセミアクティブ制御を行うことにより、適切な質量比および減衰比を取ることにより、特に周期12秒程度に大きな振幅を持つようなパルス性地震動に対しては、床応答加速度を効果的に減少させることができた。また各種の入力地震動に対するセミアクティブ制御効果を確認したところ、最大床応答加速度を平均6%程度、最大応答変位を平均28%程度低減することができた。この結果より、MR回転慣性質量ダンパーを用いたセミアクティブ制御により、標準的な入力地震動の他、断層近傍のパルス性地震動や長周期地震動など建築基準法の水準を超える多様な地震動に対して、床応答加速度を抑制しながら、免震層の応答変位を低減できることを示した。本研究は、免震構造の床応答加速度を上昇させないで、応答変位を低減する制御方法によって、建物の建設地の地震環境に応じて、パルス性地震動と長周期地震動のいずれに対しても適用可能な制御方法を提案することを目的としている。

まず想定すべきパルス性地震動と長周期地震動を選定し、それらの地震動に対する免震構造の要求性能を検討したところ、パッシブ制御に用いられるダンパーの中ではオイルダンパーの有効性が確認できたので、より有効にオイルダンパーを使用する方法を研究した。再現期間500年程度の地震動作用時の機能維持性能を低下させない方法として、オイルダンパーをある境界変位より大きい大変形領域のみで作動させることで床応答加速度を上昇させない可能性が見いだせた。しかしより厳しく変位低減を行うためにはオイルダンパーの量を増やす必要があり、床応答加速が上昇する結果となった。そこで回転慣性を付加することによって床応答加速度を低減できる可能性を検証した。回転慣性を常時作用させることで、床応答加速度が低減され、境界変位以上でオイルダンパーを稼働させることと併せて、より良好な結果がえられることが明らかになった。そこで回転慣性と粘性抵抗の効果を定量的に評価したところ、回転慣性が大きくなればなるほど応答変位の低減効果が大きいが、床応答加速度が増し、それに粘性抵抗を適度に加えることによってより適切な応答低減が図れることが明らかになった。さらに粘性抵抗を可変とすることの効果を検証した。磁気粘性流体を使用して粘性抵抗を可変とする可変ダンパーを想定して、セミアクティブ制御を行った。その結果、最適制御で制御力を決定し、スカイフック制御のルールによってセミアクティブ制御を実施することによって、良好な結果が得られることがわかった。これに基づいて、次年度で実施する実験に用いるダンパーの設計を行った。回転慣性固定式と回転慣性可変式の回転慣性MRダンパーの違いを、極座標を用いた方法で理論的に考察した。当初、免震構造の応答変位を横軸に、復元力を縦軸にとった荷重変形関係において、第2象限と第4象限にでは回転慣性が不要であるか、あるいは応答変位を増大しかねないという悪影響が懸念された。そこで、その領域では回転慣性を切り離すことができる回転慣性可変式を考案した。極座標を用いた考察によると、この第2象限と第4象限では、回転慣性固定式の場合でも、MR流体に磁場を印加して粘性抵抗を高めることによって回転体の回転数を低下させ、第2象限と第4象限で応答変位を増大しかねない悪影響を低減できることが明らかになった。また回転慣性固定式と回転慣性可変式の回転慣性MRダンパーを用いた免震構造の応答制御に数値シミュレーションによって応答制御効果の検証を行った。回転慣性固定式で制御を行った結果、フラットな周期特性を持つ地震動およびやや短周期パルスを持つ地震動に対して良好な制御効果を示した。一方、回転慣性可変式で制御を行った場合、いくつかの地震動でセミアクティブ制御の効果が確認できた。しかし、一度回転した回転体を任意のタイミングで回転を停止あるいは逆転させるメカニズムに課題があった。次に、制御を行ったにも関わらず免震構造が擁壁に衝突した際の損傷制御の研究として、多質点モデルによって、上部構造が5層および26層の免震構造の数値シミュレーションを行い、擁壁の剛性をパラメータにして、衝突前後の運動量の変化と上部構造の層せん断力の関係を求めた。その結果、運動量の変化が大きいほど、擁壁の剛性が高いほど、上部構造の層せん断力が大きくなること、擁壁の剛性が高くなったときにも衝突による上部構造の層せん断力の値に上限があることが明らかになった。これらにより2年度目に必要な到達度に達したと判断する。
分子層エピタキシャル法による単結晶サファイア薄膜の集積回路素子応用への基礎的研究

本研究は,分子層エピタキシャル法による良絶縁性単結晶サファイア(α-Al_2O_3)薄膜を集積回路素子に応用し,高性能化を目指すものであり,そのために基礎となる単結晶サファイア薄膜の単分子層毎の成長過程および機構を解明し,その集積回路・素子への適用の方法を明確にすることが目的である.本研究で得られた成果は以下のようにまとめられる.1.本分子層エピタキシャル法は,原料に塩化アルミニウム(AlCl_3)と酸素・ヘリウム(He+15%O_2)混合ガスを用いて,これらを交互に,真空中にセットされた高温基板(500°C以上)に吹き掛けることで,これらのガス分子の単分子層毎の化学吸着・反応により単結晶サファイア薄膜を単分子層レベル単位でディジタル成長する方法である.本方法により,単結晶サファイア(0001)および(11^^-02)面基板上に, 600°C以上で単結晶サファイア薄膜を0.09nm単位でホモエピタキシーすることに成功した.この場合のガス導入圧力は5×10^<-3>Paである.2.この単位成長過程を4重極型質量分析計を用いてモニターし,ガス分析を行った結果, AlCl_3は基板上でAlClとなって解離吸着し,この単分子吸着層と酸素との反応によりサファイア薄膜が形成されると推定される.3.超伝導体ニオブ(Nb)単結晶薄膜上にも,本方法によるサファイア薄膜の成長が試みられた.その結果,ニオブ単結晶(100)薄膜清浄面上に約500°Cで,サファイア(112^^-0)稠密面が平行に成長することが初めて確認された.さらに,このとき,サファイア薄膜は数A2F2の厚さの成長で,ニオブ表面を被覆しうることがわかった.これらは,分子層エピタキシャル法による単結晶サファイア薄膜の応用上極めて重要な成果である.本研究は,分子層エピタキシャル法による良絶縁性単結晶サファイア(α-Al_2O_3)薄膜を集積回路素子に応用し,高性能化を目指すものであり,そのために基礎となる単結晶サファイア薄膜の単分子層毎の成長過程および機構を解明し,その集積回路・素子への適用の方法を明確にすることが目的である.本研究で得られた成果は以下のようにまとめられる.1.本分子層エピタキシャル法は,原料に塩化アルミニウム(AlCl_3)と酸素・ヘリウム(He+15%O_2)混合ガスを用いて,これらを交互に,真空中にセットされた高温基板(500°C以上)に吹き掛けることで,これらのガス分子の単分子層毎の化学吸着・反応により単結晶サファイア薄膜を単分子層レベル単位でディジタル成長する方法である.本方法により,単結晶サファイア(0001)および(11^^-02)面基板上に, 600°C以上で単結晶サファイア薄膜を0.09nm単位でホモエピタキシーすることに成功した.この場合のガス導入圧力は5×10^<-3>Paである.2.この単位成長過程を4重極型質量分析計を用いてモニターし,ガス分析を行った結果, AlCl_3は基板上でAlClとなって解離吸着し,この単分子吸着層と酸素との反応によりサファイア薄膜が形成されると推定される.3.超伝導体ニオブ(Nb)単結晶薄膜上にも,本方法によるサファイア薄膜の成長が試みられた.その結果,ニオブ単結晶(100)薄膜清浄面上に約500°Cで,サファイア(112^^-0)稠密面が平行に成長することが初めて確認された.さらに,このとき,サファイア薄膜は数A2F2の厚さの成長で,ニオブ表面を被覆しうることがわかった.これらは,分子層エピタキシャル法による単結晶サファイア薄膜の応用上極めて重要な成果である.本研究は、優れた絶縁性を有する単結晶サファイア(α-【Al_2】【O_3】)薄膜を集積回路素子へ応用することを目的とする。その基礎研究として、分子層エピタキシャル法を用いてその薄膜成長を行ない、次の成果を得た。1.本方法では、原料として塩化アルミニウム(Al【Cl_3】)蒸気とヘリウムで希釈した酸素を用いており、これらを真空槽内の単結晶サファイア基板上に交互に吹きかけることで、世界で初めて単結晶サファイア薄膜のエピタキシャル成長に成功した。このときの基板温度は600°C以上である。2.基板に塩化アルミニウム蒸気を吹きかけた後、酸素を吹きかける工程を単位工程とすると、単位工程当りの成長膜厚は、真空槽に導入される塩化アルミニウム蒸気の圧力と共に増大するが、5×【10^(-3)】Pa以上ではほぼ一定となることが見い出された。このときの成膜速度は0.09nm/cycleである。そして、得られた薄膜の全膜厚は工程数にほぼ比例して増大する。従って、この薄膜成長はディジタル的であり、原料ガス分子の基板へのラングミュア型(単分子)吸着が支配的であると推定される。ただし、この場合のヘリウム・酸素混合ガスの導入圧力は8×【10^(-3)】Pa一定とした。3. 4重極型質量分析計を用いて薄膜製作時の真空槽内のガス分析を行なった結果、塩化アルミニウムは基板上でAlCl分子となって化学吸着すること、そして、このため、塩化アルミニウムと酸素との単分子吸着層毎の反応が実現されていること等が初めて解明された。

4.本方法により、超伝導体ニオブ単結晶薄膜上にも単結晶サファイア薄膜のエピタキシャル成長の可能であることが初めて確認された。この結果は、単結晶サファイア薄膜を超伝導ジョセフソン接合素子ならびに種々の集積回路素子へ応用するための大きな成果である。
精巣組織培養法を用いた、新しい精子形成方法の開発

本研究では、造精機能障害患者の残存精原細胞のPI3K/Aktシグナルの活性化を行うことで精子形成を再生し、造精機能障害に対する治療法を開発することを最終目的とした。精巣組織の体外培養でPI3K/Aktシグナルの活性化により得られた精子の機能と正常性の検証についてヒト検体を用いて行った。非閉塞性無精子症患者の精巣組織における精子形成誘導を行い、得られた精子の機能解析および正常性を検証した。以上の結果から非閉塞性無精子症患者では疾患の原因が多岐にわたるために、活性化する患者もいれば活性化しない患者もいることを明らかにした。不妊症の約半数は男性因子であり、男性不妊の約90%が造精機能障害といわれている。精子形成にはPI3K/Aktシグナルが必須であるが、その分子機構には不明な点が多い。最近申請者らは、早発閉経患者の残存原始卵胞におけるPI3K/Aktシグナルの活性化により卵胞発育を再生し、患者の妊娠・分娩に成功した。本研究では、造精機能障害患者の残存精原細胞のPI3K/Aktシグナルの活性化を行うことで精子形成を再生し、造精機能障害に対する新たな男性不妊の治療法を開発することを最終目的として、以下の研究計画を予定している。1PI3K/Aktシグナルの活性化による造精機能障害モデル動物の精子形成誘導と分子機構の解明。2PI3K/Aktシグナルの活性化で得られた精子の機能と正常性の検証、3PI3K/Aktシグナルの活性化によるヒト精子形成誘導と精子機能解析および正常性の検証についてである。体外におけるヒト精子形成法の確立は、がん・生殖医療における妊孕性温存においても大いなる福音をもたらす。がん・生殖医療では性腺に対して毒性のある化学療法や放射線療法を行う前に配偶子を凍結保存し、将来への妊娠の可能性を残す妊孕性温存療法が行われている。しかし、精子形成がまだ開始されていない未熟な男児患者では、精巣組織の凍結・融解後の精子形成の誘導が必須とるため、現在のところ妊孕性を温存する手段はない。また、化学療法や放射線療法を行う前に精巣組織を凍結保存し、原疾患の寛解後に精巣組織を移植する方法が検討されているが、がん患者、特に血液がんでは精巣組織へのがん細胞混入の可能性があり、精子形成は体外で完了することが望ましい。従って、本研究により体外での精子形成法が確立できれば、男性不妊治療のみならず、がん・生殖医療にも大きな変革をもたらすことが期待される。当初の予定通り順調に進展している。本研究では、造精機能障害患者の残存精原細胞のPI3K/Aktシグナルの活性化を行うことで精子形成を再生し、造精機能障害に対する新たな男性不妊の治療法を開発することを最終目的とした。今年度は昨年度から引き続き、精巣組織の体外培養でPI3K/Aktシグナルの活性化により得られた精子の機能と正常性の検証をマウスでなくヒト検体を用いて行った。非閉塞性無精子症患者の精巣組織におけるPI3K/Aktシグナル活性化を用いた精子形成の誘導と得られた精子の機能解析および正常性の検証:昨年度に行ったマウスを用いてPI3K/Aktシグナル活性化による精子形成のプロトコールを用いて培養を行った。非閉塞性無精子症患者のMD-TESE時に余剰となり廃棄する精巣組織を用いて、組織培養下にPI3K/Aktシグナルを活性化させ、精子形成誘導の有無について調べた。同意の得られた非閉塞性無精子症患者の精巣組織を、マウスを用いて至適化した培養条件で740YPおよびbpVを添加培養した。PI3K/Aktシグナル活性化の状態をリン酸化Aktの発現量変化増加(ウェスタンブロッティング)、PI3K/Aktシグナルの下流因子(サイクリンD1, 2, 3)の発現増加(ウェスタンブロッテイング、定量的PCR)で確認した。さらに、培養後の精子形成と各発生段階の生殖細胞の存在をマウスと同様の方法で確認する。非閉塞性無精子症患者では疾患の原因が多岐にわたるために、活性化する患者もいれば活性化しない患者もいることを明らかにした。今年度は前年度に引き続き、精巣組織の体外培養でPI3K/Aktシグナルの活性化により得られた精子の機能と正常性の検証と非閉塞性無

精子症患者の精巣組織におけるPI3K/Aktシグナル活性化を用いた精子形成の誘導と得られた精子の機能解析および正常性の検証について研究を行う。まずPI3K/Aktシグナル活性化による精巣組織の体外培養での精子形成の臨床応用を目指し、本法で得られたKITL欠損マウスの精子細胞の機能を評価し、その正常性を明らかにする。さらに精巣組織の体外培養でPI3K/Aktシグナル活性化により得られたマウス精子細胞の正常性の検証として正常雌マウスより採卵した卵子を用いた体外授精胚移植にて出生した産仔の体重、胎盤重量、形態異常、臓器異常について正常個体と比較する。さらに次世代への影響を見るために3世代に渡り交配を行い、行動異常の有無、妊孕性、寿命について確認する。また、非閉塞性無精子症患者の精巣組織におけるPI3K/Aktシグナル活性化を用いた精子形成の誘導と得られた精子の機能解析および正常性の検証は、マウスのプロトコールを参考に非閉塞性無精子症患者のMD-TESE時に余剰となり廃棄する精巣組織を用いて、組織培養下にPI3K/Aktシグナルを活性化させ、精子形成を再生させるトランスレーショナルリサーチを行う。同意の得られた非閉塞性無精子症患者の精巣組織を、マウスを用いて至適化した培養条件で740YPおよびbpVを添加培養し、PI3K/Aktシグナル活性化の状態をマウスと同様の方法で確認する。さらに、培養後の精子形成と各発生段階の生殖細胞の存在をマウスと同様の方法で確認する。精子形成平成29年度では精巣組織の体外培養でPI3K/Aktシグナル活性化により得られたヒト精子細胞の機能と正常性の検証について研究を行う予定でいるが、本法で得られたヒト精子の機能と正常性の解析に、体外受精胚移植は用いられないため、精子の機能解析としては、先体反応の有無を調べるアクロビーズテスト、精子の受精能を調べるハムスターテストを行う。しかしながらこれらの結果で正常性の解析が示されない場合、インプリント遺伝子のメチル化解析を行い、ボランティアの正常射出精子と比較する予定である。これは外部委託の必要があり、かなり高額になると予想される。このことからこれに使う助成金を多く残したためである。外部委託として体外培養を行ったヒト精子と健常者の精子のインプリント遺伝子のメチル化解析を行う予定である。
細胞機能イメージングのためのナノニードルアレイの開発

本研究は,細胞機能の発現過程における細胞の動的形態および細胞内で発現する生体分子を時間的・空間的に可視化することを可能とする細胞機能イメージング用ナノニードルアレイの開発を目標として実施した.MEMS技術を用いて,細胞機能イメージングにおいてキーデバイスとなる中空構造を有したSiO2製ナノニードルアレイの作製を行った.また,細胞機能イメージンの実現可能性について検討を行った.本研究は,細胞機能の発現過程における細胞の動的形態および細胞内で発現する生体分子を時間的・空間的に可視化することを可能とする細胞機能イメージング用ナノニードルアレイの開発を行うことを目標として実施した.今年度は,SICMおよびSNOMの同時計測を実現可能とするシステムの検討を行った.昨年度に開発したナノニードルアレイはニードル間の位置が固定された状態であることから,細胞へのアプローチ時に他のニードルが細胞へダメージを与えることが懸念された.そのため,ナノニードルを個別駆動することを検討した.その際,これまではイオン電流の計測に際してニードルを励振させる方式の評価を行ってきたがデバイス構造が複雑化するため,交流電圧印加による信号の変調方式についての評価をSPICEモデルを用いて行った.その結果,作製するナノニードルにおいて,印加する交流電圧が100Hz以下ではクロストークの影響が小さく適用可能であることが示されたが,さらに高周波で変調を行うためには,ニードル励振による変調方式が重要であることが示された.本研究は,細胞機能の発現過程における細胞の動的形態および細胞内で発現する生体分子を時間的・空間的に可視化することを可能とする細胞機能イメージング用ナノニードルアレイの開発を目標として実施した.MEMS技術を用いて,細胞機能イメージングにおいてキーデバイスとなる中空構造を有したSiO2製ナノニードルアレイの作製を行った.また,細胞機能イメージンの実現可能性について検討を行った.本研究は,細胞機能の発現過程における"細胞の動的形態"および"細胞内で発現する生体分子"を時間的・空間的に可視化することを可能とする「細胞機能イメージング用ナノニードルアレイ」の開発を行うことを目標として実施した.得られた成果は以下のとおりである.(1)EB(electron beam)リソグラフィおよびSiの深堀りエッチング(DRIE)を用いたMEMS技術によって,基礎実験としてナノニードル先端部の形成を行った.その結果,内径720 nm,外径970 nm,長さ4.7 μm(露出部)を有したナノニードルが実現可能であることを示した.さらに,基板両面からDRIEプロセスを実施し,基板裏面との貫通孔を有したナノニードルをアレイにて作製可能であることを実証し,細胞機能のイメージングを実現するためのキーデバイスとなるナノニードルアレイの作製プロセスの確立を行った.(2)ナノニードルの代替としてガラスピペット(先端内径400 nm)をプローブとして用い,細胞形態をイメージングするための走査型イオンコンダクタンス顕微鏡(SICM)の性能の評価を行った.プローブ励振による変調方式(周波数:100 Hz,振動振幅:約100 nm)を用いて,薬品によって固定化したHeLa細胞(ヒト子宮頚癌細胞)に対して,培養液中での形態イメージングを行った.その結果,光学顕微鏡像に対応するHeLa細胞の形態イメージが取得可能であることを示した.さらに,多点計測に向けた実験として,隣接するプローブ間での電気的クロストークの影響も検討した.ガラスピペット先端間の距離を140 μmとし,励振周波数を100 Hz,振動振幅を約100 nmとしてアプローチカーブを取得した結果,プローブ間のクロストークは確認できず,多点でのイオン電流計測が可能であることを示した.本研究では,当初計画において,ナノニードルアレイの作製プロセスを確立し,SICM計測性能,走査型近接場光学顕微鏡(SNOM)としての蛍光イメージング性能および多点での計測性能の評価を行うことを計画した.そうした中で,EBリソグラフィおよびDRIEを用いたMEMS技術によって,基板裏面との貫通孔を有したナノニードルをアレイにて作製可能であることを実証したが,ナノニードルの作製プロセスの確立に時間を要したことで,ナノニードルを用いた細胞機能イメージングの評価を進められていない.しかしながら,その代替としてナノメートルオーダの開口部(内径:400 nm)を有したガラスピペットをプローブとして用い,プローブを励振させた信号変調方式によるイオン電流計測性能を評価し,2.5時間に及ぶ計測においてもオフセットやドリフトの影響が少なくHeLa細胞の形態をイメージング可能であることを示しており,より高精度な測定の実現可能性を示してきている.また,多点での計測に向けて,隣接するプローブ間での電気的クロストークの影響も検討し,ガラスピペット間距離を140 μmとしたプローブ励振による変調方式において計測されるイオン電流に対してクロストークの影響がないことを確認しており,多点でのイオン電流計測の可能性も示してきている.今後は,ナノニードルを用いたイオン電流の計測性能の評価を行う.一方,走査型近接場光学顕微鏡(SNOM)としての蛍光イメージング性能の評価は十分に行えていないため,プローブ先端部における発光の有無の評価や光の伝搬強度をCCDカメラなどを用いて検出し,局所的な蛍光誘起の実現可能性を検証する必要があり,平成24年度の課題として引き続き,その評価を行う.平成24年度では,ナノニードルを用いた形状および蛍光イメージの同時取得を実現するための検証実験を行う.

このためには,SNOM計測性能の評価が必要となる.ナノニードルの作製には時間を要すことから,まずはガラスピペットを用いて,プローブ先端部における発光の有無や,細胞膜あるいは細胞骨格を蛍光標識した細胞(HeLa細胞など)を対象に局所的な蛍光誘起の実現可能性を検証するための基礎実験を行い,その計測性能の評価を行うことでSICM・SNOMの同時計測を実現可能とするシステムの構築を行う.これらの実験を通して基礎評価を行った後,ナノニードルを用いたSICMによる形状およびSNOMによる蛍光イメージの同時取得行うための実験を蛍光標識した細胞(HeLa細胞など)に対して行い,最終的には,ナノニードルアレイを用いた細胞機能イメージングを実現する計画である.細胞機能の発現過程における"イオン電流計測に基づいた細胞の形態イメージング"および"細胞内で発現する生体分子の蛍光イメージング"を時間的・空間的に同時にマッピングすることを実現する「細胞機能イメージング用ナノニードルアレイ」を用い,ステージ等の駆動系とを連動させた多点同時計測システムの確立も行うことによって,細胞の形状計測(分解能100nm)と蛍光イメージング(分解能100nm)の同時多点計測の実現する高効率かつ網羅的に解析を可能とする高度な細胞機能解析システムが実現することを目標とする.SNOMの計測性能の評価で必要となる高出力固体レーザは平成23年度に導入予定であったが,仕様選定に時間を要したため平成24年度4月の導入となる.関連する位相変調器も平成24年度の導入となる.また,消耗品として,計測システムの構築に必要となる光学素子も購入を行う.そのほかの消耗品としては,デバイスの作製に必要となるシリコンウェハ,フォトマスク,半導体プロセス用のガス・薬品類の購入を行うことを計画している.旅費等の内訳については,平成24年度は,国内旅費として成果発表(国内会議×1回)および本研究に関連するシンポジウム・研究会への参加費(東京日帰り×2回)に加え海外旅費(国際会議×1回)および学会誌への研究成果投稿料(×1回)を計画し,本研究課題でえられた成果を広く世に公開する.また,研究内容と研究成果を広く一般にも公開するために,ホームページの更新や研究成果広報用パンフレット作成を行うなどによって,その成果を発信することも計画している.
フラクタル幾何学研究支援ソフトウェアの開発

Fractal Gazer開発環境整備が遅れたため全体的に若干遅れが出ているがFractal Gazerのプロトタイプ作成のための準備が着々と進んでいる.まずCPUにおける計算の高速化のため,2次元ベクトル,3次元ベクトルとカラーを扱うためのC++クラスをsimdフレームワークを用いたものに書き直した.また,それを用いて従来用いていたグラフィックスライブラリを全面的に書き直した.これについては実装とテストが終了している.また,CPU計算を並列化するためにDispatchライブラリを用いたテストプログラムを作成し,その評価も済んでいる.並列化による高速化の効果は非常に大きく,フラクタル関連の計算が最大で30倍近く高速化できている.グラフィックスライブラリと関連して,描かれたフラクタル画像を画像ファイルとして保存することも必要となるが,そのためのラスター画像処理ライブラリも合わせてアップデートした.GPUにおける並列計算は,Apple MacコンピュータにおいてはMetalフレームワークを用いて実装することになる.頂点シェーダやフラグメントシェーダを効率よく作成し,高速に実行させるためにも,上で述べたsimdフレームワークを用いたベクトルクラスが役に立つ.現在は,Metalフレームワークを用いたテストプログラムを作成して各種アルゴリズムを評価しているところである.これが終了すれば,全体を統合してユーザインタフェイスを追加することによりFractal Gazerのプロトタイプが完成する予定である.プログラム開発に必要な最新型GPUを用いたパソコンを購入するために前倒し申請が必要となり,研究開始が遅れたため.若干の遅れがあるものの研究自体は着実に進んでいる.2年目にはFractal Gazerのプロトタイプを完成させ,ネットを通じて一般無料公開する.また,研究集会等を通じてFractal Gazerをフラクタル幾何学や反復関数系の研究者に広く知ってもらい,改良や追加機能の要望を聞いて,可能なものから順に対応してFractal Gazerをアップデートしてゆきたいと考えている.Fractal Gazer開発環境整備が遅れたため全体的に若干遅れが出ているがFractal Gazerのプロトタイプ作成のための準備が着々と進んでいる.まずCPUにおける計算の高速化のため,2次元ベクトル,3次元ベクトルとカラーを扱うためのC++クラスをsimdフレームワークを用いたものに書き直した.また,それを用いて従来用いていたグラフィックスライブラリを全面的に書き直した.これについては実装とテストが終了している.また,CPU計算を並列化するためにDispatchライブラリを用いたテストプログラムを作成し,その評価も済んでいる.並列化による高速化の効果は非常に大きく,フラクタル関連の計算が最大で30倍近く高速化できている.グラフィックスライブラリと関連して,描かれたフラクタル画像を画像ファイルとして保存することも必要となるが,そのためのラスター画像処理ライブラリも合わせてアップデートした.GPUにおける並列計算は,Apple MacコンピュータにおいてはMetalフレームワークを用いて実装することになる.頂点シェーダやフラグメントシェーダを効率よく作成し,高速に実行させるためにも,上で述べたsimdフレームワークを用いたベクトルクラスが役に立つ.現在は,Metalフレームワークを用いたテストプログラムを作成して各種アルゴリズムを評価しているところである.これが終了すれば,全体を統合してユーザインタフェイスを追加することによりFractal Gazerのプロトタイプが完成する予定である.プログラム開発に必要な最新型GPUを用いたパソコンを購入するために前倒し申請が必要となり,研究開始が遅れたため.若干の遅れがあるものの研究自体は着実に進んでいる.2年目にはFractal Gazerのプロトタイプを完成させ,ネットを通じて一般無料公開する.また,研究集会等を通じてFractal Gazerをフラクタル幾何学や反復関数系の研究者に広く知ってもらい,改良や追加機能の要望を聞いて,可能なものから順に対応してFractal Gazerをアップデートしてゆきたいと考えている.
減数分裂特異的mRNAの選択的除去の分子機構

本研究では、分裂酵母を主要な対象とし、これまでの研究により減数分裂の新たな制御機構として明らかになった「選択的除去」と呼ぶところの、減数分裂のためのmRNAを体細胞周期において特異的に分解してしまう分子機構の解明を中心に、減数分裂制御の基本メカニズムを明らかにしようとした。先行研究において、選択的除去におけるmRNAの分解にexosomeの核特異的サブユニットが関わっていることを示唆するデータを得ていたが、今回、この核特異的サブユニットと、exosomeのコアサブユニットの一つについて、部位特異的変異導入を行い、それぞれの温度感受性変異株を作製した。得られた変異株細胞につき、制限温度における遺伝子発現を検討したところ、これらの細胞には野生型細胞では検出できないmei4やrec8などの減数分裂特異的mRNAの蓄積が観察された。とりわけ、核特異的サブユニットの変異株では、減数分裂特異的mRNAのうちのいくつかについて、正常に発現された場合のmRNAのサイズよりも長い転写物が作られていることが認められた。以上の結果は、体細胞分裂期の分裂酵母細胞で弱く転写を受けた減数分裂のためのmRNAは速やかにexosomeによって分解され、細胞から選択的に除去されることを示している。本基盤研究(A)は、基盤研究(S)の採択に伴い開始から一ヶ月ほどで廃止するものであり、当該期間に上記の成果を論文・学会等に発表することはできていない。
スパイラルCTによる顎関節の三次元評価法の確立

近年CT画像から顎関節部の三次元再構築が行われ,さらには得られた画像を下顎運動と同一座標系でとらえることで,機能的な診断に役立てようという試みも始められている.しかしその精度について明らかにされているとは言い難い.そこで本研究の目的は三次元再構築画像の歪みについて検討し,CTの撮像条件,再構築方法を確立することである.スパイラルCT (Somatom Plus 4,Siemens Co)による最適条件で撮像・再構築した乾燥頭蓋骨下顎頭の再構築像と三次元座標測定器(Microcode FN503,Mitsutoyo Co)で測定した実測像を,コンピュータグラフィックターミナル上で比較した.その結果,本研究で開発したCT閾値決定法による顎関節の再構築では,狭小な顎関節隙の再構築も2%程度の誤差で再構築可能であった.また臨床応用時,影響が大きいと考えられるテーブル送り速度を1mm/回転,1.5mm/回転,2mm/回転で比較すると,テーブル移動方向の誤差の増加が0.85%,2.59%,3.41%と他方向の誤差の増加より大きいことが明らかになった.また再構築にあたりCT閾値を皮質骨のCT値を参考にして決定すると,実測値より約10%小さくなる可能性が明らかになった.スパイラルCTデータから顎関節再構築を行うに当たっては,撮像条件および再構築条件の検討が必要であることが本研究より明らかになった.近年CT画像から顎関節部の三次元再構築が行われ,さらには得られた画像を下顎運動と同一座標系でとらえることで,機能的な診断に役立てようという試みも始められている.しかしその精度について明らかにされているとは言い難い.そこで本研究の目的は三次元再構築画像の歪みについて検討し,CTの撮像条件,再構築方法を確立することである.スパイラルCT (Somatom Plus 4,Siemens Co)による最適条件で撮像・再構築した乾燥頭蓋骨下顎頭の再構築像と三次元座標測定器(Microcode FN503,Mitsutoyo Co)で測定した実測像を,コンピュータグラフィックターミナル上で比較した.その結果,本研究で開発したCT閾値決定法による顎関節の再構築では,狭小な顎関節隙の再構築も2%程度の誤差で再構築可能であった.また臨床応用時,影響が大きいと考えられるテーブル送り速度を1mm/回転,1.5mm/回転,2mm/回転で比較すると,テーブル移動方向の誤差の増加が0.85%,2.59%,3.41%と他方向の誤差の増加より大きいことが明らかになった.また再構築にあたりCT閾値を皮質骨のCT値を参考にして決定すると,実測値より約10%小さくなる可能性が明らかになった.スパイラルCTデータから顎関節再構築を行うに当たっては,撮像条件および再構築条件の検討が必要であることが本研究より明らかになった.近年,顎関節の撮像装置としてCTやMRIが普及しつつある.なかでもスパイラルCTは顎関節の任意断層面表示機能に加え,多断面再構成画像を利用した三次元再構築などが可能であり,臨床的に高い有用性を持つ.しかしスパイラルCTによる三次元再構築像は,装置の体軸方向分解能に起因する歪みを持つことが知られており,顎関節に最適な撮像条件や再構成方法は十分確立されているとはいいがたい.平成13年度,本研究者らはスパイラルCTによるヒト顎関節の三次元再構築画像の精度検定を行うことにより,顎関節の三次元形態の定量的評価法を確立するために,ビーム厚やテーブル送り速度などの撮像条件を変化させた場合,三次元再構築像にどのように影響するかを比較検討し,その結果を第14回日本顎関節学会で発表した.皮質骨とほぼ同等のCT値を持つレジンロック製実験用試料およびヒト乾燥頭蓋骨下顎頭を用いて,撮像条件の違いによるスパイラルCT三次元再構築画像の歪みについて検討した結果は以下のようであった.1.撮像条件の違いは実験用資料の三次元再構築像に影響を及ぼした.2.条件の違いによる影響はステージ移動方向の歪み量に対して大きく現れた.本研究の結果は,スパイラルCTを用いた顎関節二次元再構築画像の定量的評価には,撮像条件の規定とその歪み量についての検討が必要であることを示している.平成14年度は上記の結果を踏まえ,CTデータを用いた顎関節空隙の立体評価などについての臨床応用を目指すものである.近年CT画像から顎関節部の三次元再構築が行われ,さらには得られた画像を下顎運動と同一座標系でとらえることで,機能的な診断に役立てようという試みも始められている.しかしその精度について明らかにされているとは言い難い.そこで本研究の目的は三次元再構築画像の歪みについて検討し,CTの撮像条件,再構築方法を確立することである.本年度は昨年度に得た最適撮像条件で,乾燥頭蓋骨の顎関節隙をスパイラルCT (Somatom Plus 4,Siemens Co)による再構築像と三次元座標測定器(Microcode FN503,Mitsutoyo Co)による実測像を,コンピュータグラフィックターミナル上で比較した.その結果,本研究で開発したCT閾値決定法による顎関節の再構築像は,狭小な顎関節隙の再構築も2%程度の誤差で再構築可能であった.また臨床応用時,もっとも影響が大きいと考えられるテーブル送り速度を1mm/回転,1.5mm/回転,2mm/回転で比較すると,テーブル移動方向の誤差の増加が0.85%,2.59%,3.41%と他方向の誤差の増加より大きいことが明らかになった.

スパイラルCTデータから顎関節再構築を行うに当たっては撮像条件および再構築条件の検討が必要であり,骨形態の評価に臨床的に高い有用性を持つことが本研究より明らかになった.
マイクロスフェア化抗癌剤による癌性腹膜炎の治療効果増強と副作用の軽減

癌性腹膜炎に対する新しい剤形として抗癌剤(シスプラチン、メトトレキセート、5FU)を封入した乳酸オリゴマーマイクロスフェアを開発した。1.シスプラチン封入マイクロスフェア(CDDP-MS)[1]前年度は動物を用いて体内薬物動態、安全性の検討、治療効果をシスプラチン水溶液の間で比較検討し、CDDP-MSはより安全で治療効果に優れた剤形であることが明らかとなった。[2]臨床応用として、院内処方として作製されたCDDP-MSをもちいて、15名の癌性腹膜炎患者に対してシスプラチンとして100-200mgのCDDP-MSを腹腔内に投与した。その結果13名の患者に癌性腹水の明らかな治療効果が認められた。副作用は軽微であった。またその際の体内動態に関して検討したところ、腹腔内では1週間にわたって高濃度のシスプラチンが測定できたが、末梢血中のシスプラチン濃度は極めて低濃度であった。3.5FU封入マイクロスフェア、メトトレキセート封入マイクロスフェア生食中でのマイクロスフェアからの薬剤成分の放出速度を検討したところ、これらの薬剤成分は3週間にわたって徐放性に放出されることが判った。現在、封入効率の向上につき改良を加えるとともに、ラットの体内での濃度分布の時間的変化について検討中である。癌性腹膜炎に対する新しい剤型として抗癌剤(シスプラチン、メトトレキサート、5-FU)を封入した乳酸オリゴマーマイクロスフェアを開発した。[1]シスプラチン封入マイクロスフェア(CDDP-MS)ラットの腹腔内投与時の体内薬物動態を、CDDP-MSとシスプラチン水溶液の間で比較検討した。CDDP-MSではシスプラチン水溶液に比較して腹腔内でのシスプラチン濃度は有意に高く、一方末梢血中濃度は有意に低かった。10^6cells/マウスのM5076細網肉腫細胞をBDF1マウスの腹腔内に移植した癌性腹膜炎モデルを用い、CDDP-MSあるいはシスプラチン水溶液を腹腔内投与して延命効果を比較した。CDDP-MSでは、10mg/kgのいずれの投与量でも、同じ毒性のシスプラチン水溶液に比較して推計学的に有意に大きな延命効果を持つ事が判った。[2]5-FU封入マイクロスフェア、メトトレキサート封入マイクロスフェア生食中でのマイクロスフェアからの各抗癌剤の放出曲線を測定したところ、封入量の70%以上の量が7-21日間に渡って安定して徐放され、極めて安定なマイクロスフェアの作製が可能となった。現在、封入効率の向上など、製作上の効率向上を試みている。CDDP-MSでは腹腔内でのシスプラチン濃度はシスプラチン水溶液の場合に比較して有意に高く、一方末梢血中の濃度は有意に低値であった。BDF1マウスを用いた急性毒性の検討では、リッチフィールド-ウイルコクソン法で測定したCDDP-MSのLD50値は23.8mg/kgで、シスプラチン水溶液のLD50値の13.5mg/kgに比較して1.8倍と、CDDP-MSの安全性がシスプラチン水溶液に比べて極めて高いことが明らかになった。またその際の中毒症状や病理組織学的所見などから、CDDP-MSへの剤形変更による新しい毒性の発現は無いことが判った。M5076マウス腫瘍を用いた実験的癌性腹膜炎モデルによるCDDP-MSの治療効果をシスプラチン水溶液と比較検討した。CDDP-MSでは同じ毒性を有するシスプラチン水溶液に比較して有意に大きな治療効果をしめした。[2]5FU封入マイクロスフェア、メトトレキセート封入マイクロスフェア生食中でのマイクロスフェアからの薬剤成分の放出速度を検討したところ、これらの薬剤成分は3週間にわたって徐放性に放出されることが判った。
ヒトDNA修復酵素cDNAのクローニング

I)本年度の研究においては、既に上記の方法によりcDNAクローニングが成功しているO^6メチルグアニンDNAメチルトランスフェラーゼに関して、より詳細な研究をひき続き行なった。(1)ヒトのメチルトランスフェラーゼcDNAをプローブとしてマウスおよびラットのcDNAをクローニングすることが出来た^<(2)(5)>。またこれらのヒトを含む哺乳細胞由来のcDNAを大腸菌内で発現させ、これらの修復酵素を大量に生産させることにより酵素そのものを精製することにも成功した。現在これらの純化された酵素標品を用い酵素化学的な解析を進めるとともに、抗体も作成することが出来たので今後これをプローブとして各種癌由来細胞株さらには組織レベルでの解析へと進む計画である^<(3)>。(2)クローニングされたマウスのcDNAをプローブとしてマウス遺伝子をクローニングした。その結果マウスの遺伝子もヒト同様非常に大きな遺伝子でその全長は150Kb以上に及ぶことが明かとなった^<(1)(2)>。このことはまさに従来の染色体DNAを用いたトランスフェクション法によるクローニングの限界を示すものである。今後は、トランスジェニックマウスを作成することによりこの酵素を欠損するミュータントマウス作成し個体レベルでこの酵素の機能を研究する計画である。この目的のため今回クローニングされたマウス遺伝子を用いてtagettingベクターを構築した。II)一方、同様な方法で新たなヒトのDNA修復酵素cDNAのクローニングするため今回色素性乾皮症F群およびファンコニィー貧血症の原因遺伝子のクローニングが目標とされたが今のところ期待できるような成果は挙がっていない。この研究の過程で遺伝病由来の細胞株をクローニング用の受容細胞として用いる場合の問題点がいろいろ明かとなってきた。この点に関してI)の研究の成果として哺乳細胞由来のcDNAを大腸菌内で効率よく発現させることができ、ヒトの修復酵素の研究が大腸菌の系で十分可能なったこと^<(4)>、しかもその結果大腸菌の遺伝的欠損を十分相補できることなどが明かとなった。このようなことから、ヒト遺伝病に相当する大腸菌側のミュータントが存在する場合には大腸菌の系を用いたスクリーニングがcDNAのクローニングにも十分有効でないかと考えている。今後はこのような方向で研究を進める計画である。(1)-(5)は裏面の発表論文リストの順番に従っています。
水田雑草オモダカとウリカワの塊茎萌芽期の節間伸長を促進する要因

オモダカの節間伸長は土壌やガラスビーズによる覆土に関係なく深水環境で誘導された。一方,ウリカワの深水環境での節間伸長には,土壌やガラスビーズによる覆土が必要であった。これらの植物の深水下での節間伸長を誘導する因子を明らかにするため,水中では組織内のガスの蓄積が起きることから気体因子に着目し研究を行った。気体の植物ホルモンであるエチレンは両種の葉の伸長を促進したが,節間の伸長を促進しなかった。オモダカの節間の伸長の誘導は水中での嫌気環境あるいは低酸素環境が最初のシグナルとなっていること,ウリカワの節間伸長は水中で蓄積する二酸化炭素が促進因子であることが明らかとなった。オモダカとウリカワは同属の植物であるにもかかわらず萌芽の際に土中伸長する器官が異なり,オモダカは土中での萌芽時に最初から節間と葉を伸長させるのに対し,ウリカワは最初に葉だけを伸長させ,出芽後に節間を伸長させる。オモダカとウリカワの萌芽植物体の出芽過程においてみられる節間の伸長は,成長点を地表面に持ちあげることにおいて重要な役割があると考えられる。本研究は,これらの節間の伸長を誘導する因子を明らかにすることを目的とした。嫌気条件にした水中においてエチレンはオモダカとウリカワの節間伸長を促進せず,オモダカの節間伸長に関しては水中環境がもたらすO2欠乏によって促進されることを明らかにした。ウリカワの節間伸長に関してはO2欠乏だけでは促進されなかった。また,ウリカワの節間伸長は,水中での土壌やガラスビーズの覆土処理によって促進されることを明らかにした。エチレン合成阻害剤の処理は,オモダカの水中での節間伸長の促進とウリカワの水中での覆土処理による節間伸長の促進に影響を及ぼさなかった。ウリカワに嫌気条件下でCO2を処理したところ,水中で覆土した条件と同レベルまで節間伸長が促進された。水中での溶存CO2濃度を測定したところ,ガラスビーズで覆土処理を行うとウリカワ塊茎付近で有意に溶存CO2濃度が上昇し,この溶存CO2濃度の上昇は出芽後に観察されることを明らかにした。以上のことから,オモダカでは,湛水によって生じる水田土壌内のO2欠乏によって塊茎から節間を伸長させて出芽し,その後に葉を成長させてロゼットを形成することが明らかとなった。ウリカワでは,嫌気条件である水田土壌内で塊茎から葉を伸長させて出芽し,出芽後のO2供給によって塊茎付近でのCO2発生量を増加させ,ガス拡散が抑えられた水田土壌内で高濃度に蓄積したCO2によって節間伸長を促進し,成長基部を持ち上げることが明らかとなった。