hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
科学衛星搭載用地下探査レーダーの開発

本研究課題では、主に科学衛星に搭載して惑星の地下を探査するためのレーダーシステムについての検討を計算機シミュレーションを中心に行った。科学衛星、特に、惑星ミッションにおける衛星では、その搭載機器の重量制限や形状の制限など通常のレーダーシステム以上に厳しい制限がついてしまう。それに対して、地下を探るためには、それなりの低い周波数を用いなければならないため、送受信に用いるアンテナは長くなるので、地球周辺で行われている合成開口レーダーのようにマイクロ波帯のパッチアンテナアレイというわけにいかずに、レーダーの放射パターンをどうしても絞れなくなる。その上に地下探査レーダーの場合、地層からの後方散乱波強度はさほど期待できないため、サイドルッキングレーダーがつかえない、という問題もある。このようにかなり厳しい条件のもとでレーダーが設計される必要があるため、計算機シミュレーションによってあらかじめシステムを検討しておく必要がある。そこで、本研究課題ではまず、この地下探査レーダーシステム用にFDTD法を用いたシミュレーションプログラムを作成した。そしてそのプログラムによって、地層をやその地層の起伏により、レーダーエコーの中に現れるノイズを特定したり、実際に衛星が移動した際のエコーの変化からどのように本物のエコーを取り出すかについて解析した。また、一方で、多層無限平面を仮定して解析的に得られる理論式を数値的に解く手法のプログラムも作成し、さまざまなパルスコーディング手法について、この地下探査レーダーへの応用の検討を行い、そのS/Nなどの比較を行った。また、これらの検討と平行して具体的なハードウェアの検討と作成のための準備も行った。衛星のように高高度からレーダーによって地下を探査する場合、問題となるのはそのS/Nの悪さ、アンテナなどの構造・重量の制限、そしてそれに伴う、分解能の低下である。さらに、地下方向という更に空間的に一般の合成開口レーダーに対して1次元増えた形でのデータ解析も重要である。このようなシステムを構築するためのシミュレーション及び手法の評価、また来年度実験を行うための準備を今年度は行った。まず、S/Nをよくするための重要な技術となるパルス圧縮方法について、いくつかの手法に対して評価を行い、その結果、衛星レーダー搭載用としては、「M系列」および「コンプリメンタリ」符号が適しているという結論を得た。次に、レーダーから発射したパルスがどのように地下で伝搬しまたどのようなエコーがもどってくるかをシミュレーションするために、FDTD法によるシミュレーションコードの開発を行った。ここではFDTD法を用いて、誘電率の異なるいくつかの層をシミュレーション領域に設定し、上空から発射されたパルスがどのように地中を伝搬しまた、どの程度のパルスの崩れ、強度の変化が現れるのかを調べることができるようになった。この計算機シミュレーションコードはそのままレーダーシステムそのもののシミュレーションも行うことができるため、来年度は実際の実験と平行してこのシミュレーションコードで画像の再生方法などもシミュレーションを行う予定である。また、別のシミュレータを用いてアンテナのパターン計算にも今年度は取り組んだ。惑星地下探査レーダー専用に開発したFDTD法による計算機シミュレーションを行って父上や地下からのエコーの状況や実際に科学衛星が飛翔しながらパルスを送信する場合に、受信されるエコーの変化をシミュレーションしてみて、その像の再生を行い、所望する地下からのエコーのほかに、どのような「雑音」としてのエコーが存在するのかを確認した。具体的には、衛星上に配置したアンテナから放射したレーダーパルス(ここではチャープ信号によるパルス)を伝搬させあらかじめ、シミュレーション空間中に設定した地層からのエコーがどのようになるかをまず、シミュレーションで確認した。まず1層によるモデルで放射したパルスがきちんと反射されて衛星までもどってくることを確認した後、複数層からなる地層モデルにおいて確認を行った。その結果、複数層のモデルになると、観測されるエコーは、実際の表面、および、地層境界からのエコーの他に、地層中を複数回反射してから衛星にもどってくる多重反射のエコーも存在して、そのレベルがかなり大きいことがわかった。さらにその次のステップとして、実際に地表面に山を配置し、地層の表面に起伏をもたせたようなモデルをシミュレーション空間中に配置してより実際に近いモデルで計算を行ったところ、先の多重反射の効果も入って非常に複雑なエコーが観測されることがわかった。

そこで、衛星が実際にパルスを送信しながら、惑星周辺を移動していくことを想定して、シミュレーション空間中で衛星の位置を動かしながらシミュレーションを繰り返し行ったところ、本当の地下からのエコーは、衛星の移動とともに、大きな変化をしないのに対し、そのほかのノイズとしてのエコーは、非常に大きくそのレンジ距離が変化していくため、その効果を利用して本物のエコーとノイズを区別することができることを示した。
地盤との連成を考慮した非比例減衰建築構造物の最適付加ダンパー配置法

本研究の目的は,地盤との連成を考慮した非比例減衰系モデルに対する最適ダンパー配置問題という複雑な問題を的確かつ効率的に解くことのできる新しい方法を提案することにある。研究期間において以下のような成果を得た。1.表層地盤の非線形増幅特性を等価線形化法により表現したせん断構造物-表層地盤モデルに独自のSDS法を適用し、最適ダンパー配置および容量を付加ダンパーの総量レベルごとに連続的に求める新しい方法を開発した。表層地盤下方の半無限粘弾性地盤への逸散減衰効果は粘性境界を用いて表現した。表層地盤特性として良質地盤,軟弱地盤およびそれらの中間的な地盤の3種類の地盤モデルに対して最適粘性ダンパー配置を求め,表層地盤特性が最適配置に及ぼす影響を検討した。入力地震動としては,粘性境界直下の点において帯域限定ホワイトノイズを採用した。上部構造の1次固有周期と表層地盤の1次固有周期の関係が最適配置に大きく影響することを明らかにした。2.粘性ダンパーを支持する機構の剛性が粘性ダンパーの最適配置に及ぼす影響を明らかにするために,Maxwell型のモデルを組み込んだ骨組に対して独自のSDS法を適用した。支持部の剛性が低下すると減衰効果が極端に低下することを定量的に明らかにし,支持部の剛性を的確に組み込んだ最適ダンパー配置法を提案した。3.入力地震動およびそれによる構造物の応答には大きな不確定性が存在するため,そのような不確定性を適切に考慮する方法としてクリティカル外乱による方法を導入した。定められた構造物特性に対するクリティカル外乱を見い出す理論を展開し,そのクリティカル外乱に対しても最も効率的に応答を低減させるダンパー配置を見い出す方法を展開した。定常地震動モデルだけでなく非定常モデルについてもクリティカル外乱を見い出す理論を展開した。これまでに,付加ダンパーの最適配置問題に関する研究は,ほとんど全て,基礎固定モデルに対して行なわれており,基礎-地盤系との達成を考慮したものは見当たらない。基礎-地盤系との達成を考慮すると,システム全体としての動的特性が変化するため,基礎固定モデルに対して導いた最適配置基準がそのまま利用できるとは限らない。本研究の目的は,「地盤との達成を考慮した非比例減衰系モデルに対する最適ダンパー配置問題」という複雑な問題を的確かつ効率的に解くことのできる新しい方法を提案することにある。本年度において以下のような成果を得た。1.表層地盤の非線形増幅特性を等価線形化法により表現したせん断型構造物-表層地盤モデルに独自のSDS法を適用し,最適ダンバー配置および容量を付加ダンパーの総量レベルごとに連続的に求める新しい方法を開発した。本年度において以下の成果を得た。

1.せん断型モデルの層剛性と層間設置型粘性ダンパーの減衰係数の両者を設計変数とする最適設計問題を定式化し,その問題に対する新しい方法を展開した。入力としては,0平均定常ランダム過程に従う有限帯域ホワイトノイズ地震動を採用し,2乗平均層間変異および2乗平均加速度を目標関数として採用した。独自のSDS法を剛性が変動する場合に拡張し,最適な剛性とダンパーの減衰係数を同時に見いだす逆問題型解法を提案した。剛性は層間変位の低減にのみ有効であるのに対して,ダンパーは層間変位と加速度の両者の低減に有効であることを定量的に明らかにした。2.成層構造を有する表層地盤で支持されたせん断型モデルについて,表層地盤の非線形特性を等価線形化法により考慮し,定常ランダム過程に従う有限帯域ホワイトノイズ地震動が工学的基盤面で与えられる場合の最適ダンパー配置を求める方法を展開した。3.入力地震動およびそれによる構造物の応答には大きな不確定性が存在するため,そのような不確定性を適切に考量する方法としてクリティカル外乱による方法を導入した。定められた構造物特性に対するクリティカル外乱を見い出す理論を展開し,そのクリティカル外乱に対して最も効率的に応答を低減させるダンパー配置を見い出す方法を展開した。
やわらかさが瞬時に変化する高機能磁性ソフトマテリアルの創製と応用

永久磁石を近づけるとプリンのように軟らかかった状態が瞬時にプラスチックのように硬くなる新素材を開発した。ゴムのような樹脂に鉄粒子を分散させたもので、磁性エラストマーと呼ばれる。硬さの変化は800倍。世界最高レベルの変化量を示す。磁場をかけると硬くなり、遠ざけると元の硬さに戻る。このような特性を持つ材料は、これまで、水を含むゲルでしか実現できなかった。本研究で初めて、大気中での使用が可能になった。磁場で硬くなるメカニズムを明らかにした。さらに棘皮動物であるナマコの硬さが変わる原理を用いて高効率化を行った。振動実験の結果、弾性率を変えることで振動を制御できることが明らかになった。磁性ソフトマテリアルは磁性微粒子を含むゲルやエラストマーなどのソフトマテリアルであり、その弾性率は磁場で変化させることができる。電気的な信号で物体の弾性率を変えることができるため、物体の触覚を遠隔操作できる。また、弾性率が変化すると、振動の共振点がずれて振動波は短時間で減衰する。本研究では、強い磁場を必要とせず、弾性率が瞬時に大きく変化する透明な磁性ゲルを創成し、電気的に弾性率が制御できるシステムを構築することを目的とした。磁性微粒子の分散性に及ぼす物理因子の解明を行った。磁性微粒子の分散性はマトリクスの種類、濃度に強く依存する。これまでの研究から、磁性微粒子が不均一分散すると、弾性率の変化量が大きくなることが分かった。微粒子が作るクラスターを効率良く接触させることで、高性能な材料が得られた。具体的には、高分子ゲル中での粒子径測定により、粒子とマトリクスの組み合わせを系統的に変え分散性に及ぼす因子を特定した。顕微鏡写真、CTスキャンの画像解析から、クラスターの直径、単位面積当たりのクラスター数を測定した。高分子ゲル中でのゼータ電位測定により、粒子が分散性を求めた。また、粘弾性電気伝導度の同時測定や磁場中におけるクラスターの直接観察を行い、クラスター接触の評価法の確立を行った。磁場による弾性率変化のメカニズムは、クラスターの接触が崩壊するためと考えられているが、直接観察が難しい。電気伝導度測定・直接観察装置で接触状態を評価できるか検討した。ゲルやエラストマーに磁性粒子を分散させた材料である磁性ソフトマテリアルに磁場を印加すると、磁性粒子の鎖構造が形成され、弾性率が増加する(MR効果)。天然高分子であるカラギーナンをマトリックスとする磁性ゲルは、弾性率が瞬時に磁場印加前の約500倍も変化する(巨大磁気粘弾性効果)。本研究では、磁性粒子の種類を変えて鎖構造を観察し、MR効果に及ぼす鎖構造の影響を調査した。全ての磁性粒子で磁場を印加すると貯蔵弾性率が増加した。磁性粒子の体積分率を高くするほど貯蔵弾性率の変化量ΔG 'は増加した。鎖構造が発達するためと考えられる。貯蔵弾性率の変化量が大きいカルボニル鉄CI、パーマロイFNは細い鎖が均一に形成されており鎖の本数も多い。弾性率変化量が小さい酸化鉄IO、バリウムフェライトBFは太い鎖が不均一に形成されており鎖の本数が少ない。IO、BFの太い鎖構造はゲル中で形成される2次粒子に起因することがわかった。更に、磁性粒子へのカラギーナン吸着性を調査した。磁性粒子1g当たりのカラギーナン吸着量は、FN、CI、BF、IO順に多くなった。カラギーナンの吸着量が多いほど磁性粒子が2次粒子を形成することがわかった。IO、BFはカラギーナン水溶液中でカラギーナン鎖が磁性粒子表面に吸着する。磁性粒子表面のカラギーナン鎖がゲル化するため、凝集し分散性が悪くなると考えられる。CI、FNはカラギーナン水溶液中でカラギーナンをほとんど吸着しない。ゲル化時にカラギーナン鎖に囚われないため、分散した状態でゲル化すると考えられる。吸着したカラギーナン鎖がゲル化するため、磁性粒子は凝集し2次粒子を形成する。この2次粒子が鎖を形成するため、鎖は太く、本数が少なく、MR効果が小さくなることが明らかになった。1.磁場応答時間を短くするための技術要素の検討応答時間が短くできれば高い周波数の振動にも対応できる。パルス的に応答するゲルの創製を試みた。1応答時間に及ぼす因子の特定:磁性体の磁化速度はピコ秒オーダーと瞬時であるため、弾性率の応答速度はマトリクスの回転(移動)速度で決定されると考えられる。回転速度は磁性微粒子の磁化率、クラスターの形状因子、マトリクスの粘弾性に依存すると予想される。観察装置を用いて、これらの因子と応答時間の相関を明らかにした。

2針状微粒子を用いた高速応答ゲルの創製:球状微粒子を用いた先行実験では、弾性率が徐々に数百ミリ秒かけて変化する。これは、接触状態が連続的に変化するためと考えられる。針状微粒子の接触は点接触に近いため、弾性率はパルス的に急激に変化すると予想される。一般に、ミクロンサイズの針状微粒子を高分子水溶液中に分散させてもクラスターを形成してしまい、その形状を活かすことができない。針状を保持する化学的条件、針状微粒子の粒子径などを最適化した。2.耐久性を付与するための技術要素:磁性ゲルを利用したアクチュエータの耐久性は低く、伸縮するゲルの場合、8時間後には変形量が40%まで低下する。ゲル中の水分蒸発が性能低下の原因である。1水分の蒸発防止:ゲル表面を両親媒性の接着剤でコーティングし、耐久性試験を行った。2微粒子の劣化防止:高強度・高靭性セラミックス微粒子は高い力学強度を示す。コアに磁性体を含む特殊グレードのセラミックス微粒子を用いた。非球状の微粒子については材料探索を行った。3マトリクスの劣化防止:クラスター表面では、クラスターの移動や回転によりひずみがかかり、脆性破壊を引き起こすと考えられる。破壊応力の高いマトリクス、ひずみ軟化性のマトリクスを用いることで耐久性を向上させた。磁性ソフトマテリアルの弾性率の評価や弾性率を変化させたときの振動の共振点がずれなどを、当該機器の購入で計画通り行うことができた。25年度が最終年度であるため、記入しない。機器の購入、学会での助言などが有意義であったため。応答時間を短くするための技術要素としてパルス的に応答するゲルを創製する。クラスターの接触状態を変化させる方法では、100ミリ秒で弾性率が倍になる。応答時間を短くできれば、高い周波数の振動にも対応できる。また、材料の耐久性を高める技術的要素の探究を行う。高機能磁性ゲルへのチャレンジを行う。弾性率の変化はゲルの端から端まで繋がったクラスターの接触状態の変化で生じる。無数に接触したこれらのクラスターのうち、いくつかが非磁性でも同様の現象が観察されると予想される。透明なビーズを使えば透明に近い磁性ゲルが、磁性微粒子の濃度を2vol%以下に抑えることができれば、意匠性に優れたカラー磁性ゲルが得られる。
保険金請求権の価値の法的評価

法的問題の処理にオプション・プライシング・モデルによる保険金請求権の評価を用いることの妥当性については、会計学上の保険負債の評価のあり方についても議論がまとまっていないことからしても、一概に有用であると判断することは困難であるが、遺留分減殺など一定の場面では有用であると思われる。まず、保険事故発生前の保険金請求権の価値を法的に評価すべき局面として、どのような場合があるかについて検討を行った。当初から考えられていたのは、遺留分減殺、特別受益の持戻しの局面、また、変額保険の説明義務違反における損害賠償の局面である。なお、後者の局面では、とくに未解約事例において損害賠償が認められるかという問題において、重要な意義をもつことが認識された。これら以外の局面としては、保険契約の買取における適切な対価の決定という問題がある。さらに、アメリカでは、Stranger Originated Life Insuranceという仕組みが開発されているようである。これは、高齢者を対象に当初は自己のためにする保険という形で生命保険契約に加入してもらい、当初の2年程度はそのままで2年経過後に保険契約者、保険金受取人を変更するという投資の仕組みである。当初から保険契約者変更等を目的としている点で保険契約の買取に近い。そもそもこのような仕組みが適法かどうかについても議論の余地はあるが、適法であるとすれば、適切な形で仕組みを構築することが必要であり、保険金請求権の価値の評価が関わってくるものと思われる。これらは保険契約者が変わるという場合の問題であるが、逆の形態として、保険者が変わることもありえる。つまり、ある保険会社が別の保険会社に契約を移転させるということである。これは保険会社の破産時を除けば理論的な問題にすぎないであろうが、理論的には問題になりうる。このように今期は具体的な成果としては、保険金請求権の価値の評価が問題となる局面の洗い出しにおいて成果がみられた。保険金請求権の評価方法については、保険会社における債務の時価評価の議論が現在も国際的に進行中であり、これらのフォローに努めた。保険金請求権の価値が法的問題となる.場面において、保険料等以外に法的問題の処理に当たって使うことのできる評価方法をさぐることが本研究の目的である。会計学上の議論に関して、国際会計基準審議会(IASB)の第56回会議において保険負債の測定属性として現在出口価値を採用することが最小の得票差で暫定的に合意された。現在出口価値は、保険契約においては、契約上の権利・義務を他の企業に移転するための対価として保険会社が支払う見込額であり、すなわち独立した第三者への移転価格といえる。このような価値を利用することの利点としそ、契約上の権利・義務に関する将来キャッシュ・フローが適切に反映され、保険者が保険リスクを負担する(保険金支払義務を負う)ことに対する対価を測定日ごとに考えることができることがあげられる。これに対して現在出口価値を採用することには反対も多く、たとえば、現在出口価値は移転されない、または移転できないという特性のある項目に対する誤った目的となるとの指摘もなされている。そこで、現在出口価値以外の測定属性として、現在入口価値などが主張される。このように会計学上の議論も未だに流動的であり、法的問題の処理に用いることの妥当性についても明確な結論を出すことは困難であるが、単に評価が困難であるから保険金請求権の価値は利用しないというだけの議論から抜け出す途を示すことには大きな意義があると思われる。もっとも、変額保険販売における損害賠償の局面では、上記のような評価モデルを用いることには慎重であるべきであるが、遺留分減殺のような局面では十分に利用可能であると思われ、個別的な検討も必要である。
東南アジア諸国における学校教育へのコミュニティ参加に関する国際比較研究

本研究は、住民主導の教育発展に資するコミュニティ参加の実現に向けた方策を検討することを目的とした。本研究の成果は次の3点に分けられる。第1に、多くの国で共通して見られると推察されるコミュニティ参加導入の具体策を明らかにしたこと。第2に、保護者とその他の住民、教員が理解する自らの教育役割を明らかにしたこと。第3に、第2の点を踏まえて、住民主導の教育発展に資するコミュニティ参加の実現に向けた方策を探ったこと。平成20年度の実績は第一に、東南アジア諸国、特に、研究対象国(カンボジアとラオス、タイ)の教育発展の歴史や現在の学校教育、教育改革の状況を整理したことである。第二に、ラオスとタイを訪問(平成21年2月15日3月1日)し、両国教育省や国際機関の職員、公立小学校の教員等と面会し、平成21年度に予定しているフィールドワークの準備を行った。本研究は、上記3カ国における教育の地方分権化の具体的施策を考察し、分権化の一形態であるコミュニティ参加の現状を明らかにしようとするものであるが、平成20年度は、これら3カ国、とりわけ、ラオスとタイにおける分権化の類似点と相違点を検討することができた。具体的には、3カ国とも、学校ごとの委員会等の設置により学校へある程度の権限を委譲しようしている。これまでの中央政府に代わり、県や郡に財政の権限を移そうとしていることも共通している。一方、一党支配体制のラオスでは中央政府(教育省)よりもむしろ政党が幅を利かせており、県や郡、学校の教育行財政へも大きな影響力をもつ。タイではラオスほど政治的な関与は強くなく、学校ごとのカリキュラム編成等も行われており、タイ現地で訪問した小学校でもさまざまな創意工夫(ICTや英語の導入等)が見られた。研究代表者によるこれまでの研究から、カンボジアは両国以上に分権化は制度的には進んでいると判断できる。平成21年度は、平成20年度の研究成果をもとに、カンボジアとラオス、タイにおけるコミュニティ参加の実情を把握することを目的とした。特に、カンボジア(平成22年2月)とラオス(平成22年3月)、タイ(平成22年2月)におけるフィールドワークによる現地調査を実施し、教員や保護者、その他の住民が理解するコミュニティ参加のあり方や実情を明らかにした。その上で、教員や保護者、その他の住民によるコミュニティ参加を規定している要因を分析し、彼ら主導の参加をもたらすための方策を検討した。カンボジアとラオス、タイに共通する課題として、学校委員会の機能があげられる。委員会は学校とコミュニティ(住民)をつなぐ役割を期待されているにも関わらず、政府から意思決定権を付与されていなかったり、コミュニティ単位の他の委員会と役割を重複していたりして、期待されている役割を果たしていない。一方、学校委員会の委員や教員は委員会の役割を正確に(政府の定めるようには)理解しておらず、単に学校の情報を住民へ伝えるだけの、決定権をもたない協議体としか認識していないことがうかがえた。平成20年度から平成21年度までの研究結果を踏まえて、住民主導の学校教育へのコミュニティ参加を促す方策を検討した結果、次の2点が考えられる。(1)住民、特に、学校委員会の委員、そして教員によるコミュニティ参加の効果(退学や留年の減少、就学者数の増加など)の理解の促進、(2)学校委員会と教員への学校の意思決定権の理解の浸透。今後の研究課題は、これら2点を実現させるための方策を検討することである。
大スケール表面張力流の不安定性と動的界面変形の影響

大直径かつ高アスペクト比のシリコーンオイル液柱の温度差駆動表面張力流の不安定性と動的界面変形の影響を、国際宇宙ステーション日本実験棟「きぼう」での宇宙実験ならびに地上実験と数値解析・不安定性解析を用いて調べた。その結果、臨界マランゴニ数と振動周波数のアスペクト比依存性、Hydrothermal Waveの逆方向伝播、高マランゴニ数における対流のカオス化・乱流化、粒子集合現象、動的界面変形特性などに関する微小重力実験データを得た。また、不安定性に関する線形・弱非線形安定性解析、ロッド内熱伝導の影響、フルゾーン液柱の不安定性、薄液膜の不安定性について地上実験や数値解析で明らかにした。国際宇宙ステーション日本実験棟「きぼう」における「大スケール表面張力流の対流不安定性に関する微小重力実験」を平成24年6月26日から平成25年2月22日の期間に実施し、大スケール液柱の表面張力流の不安定性、不安定性の液柱長さ依存性・体積比依存性・昇温速度依存性、動的粒子集積現象(PAS:Particle Accumulation Structure)、カオス流・乱流の発生に関する長時間微小重力データなどを蓄積した。微小重力実験の実施にあたり、特に温度差駆動の表面張力対流のカオス化過程に関する実験条件の策定および取得データ解析を行った。地上研究として、PASに関連した粒子挙動の3次元追跡ならびに数値計算によるPAS発生メカニズムの検証を行った。さらに、Hydrothermal Wave不安定性の生起および対流場の同定にあたり、液膜や液滴などの系において地上実験や数値計算を行った。対流不安定性の物理を把握するため、アスペクト比1の液柱についての線形並びに弱非線形安定性解析を、液柱端面で完全伝導条件、液柱表面では完全断熱条件の下、浮力の影響を無視して行い、従来の線形安定性解析結果の妥当性と、プラントル数の値による回転波と定在波の入れ替わりの存在を明らかにした。また、安定性解析では考慮に入れていない液柱端面温度の非一様性が予備実験によって観察された。平成25年度後半から実施予定の「動的界面変形が対流不安定性に与える影響に関する微小重力実験」に向けて、実験条件策定を進めるとともに、地上実験において「きぼう」のgジッタが測定に与える影響は低振動数gジッタ(概ね、10Hz以下)であれば無視できることを確認した。本年度(平成25年4月平成26年3月)の研究対象とした宇宙実験は次の「宇宙実験13」である。「宇宙実験1」平成24年7月平成25年2月:「大スケール表面張力流の対流不安定性に関する実験」、「宇宙実験2」平成25年9月平成26年2月:「動的界面変形が対流不安定性に与える影響に関する実験」(その1)、「宇宙実験3」平成26年夏頃実施予定:「動的界面変形が対流不安定性に与える影響に関する実験」(その2)(1)「宇宙実験1」の詳細データ解析として、1振動流遷移条件に与える諸条件(液柱アスペクト比、液柱体積比、加熱速度など)の影響の把握、2高マランゴニ数条件におけるカオス流・乱流の観測、3粒子集積現象(PAS:Particle Accumulation Structure)の観測を行った。(2)「宇宙実験2」について、研究者と学生で構成される実験チームが筑波宇宙センターに滞在することによって実施した。顕微鏡撮影システムを用いた液柱表面位置の動的振動を定量化し、振動流遷移モデルの妥当性を検証した。(3)表面張力流の制御性に関する地上実験を継続した。制御方法として、液柱周囲に強制対流を付加する方法、液柱周囲の自然対流を抑制/促進する方法、液柱周囲の温度条件を制御する方法などを検討した。(4)表面張力流の線形安定性解析(含む、弱非線形安定性解析)および直接数値解析を行い、宇宙実験結果を補完する知見を得た。線形安定性解析では不安定性に与える液柱アスペクト比依存性などを調べ、生起する振動流の詳細を明らかにした。直接数値解析では、カオス流・乱流の特性に関する実験結果との比較、PAS発生メカニズムの把握を行った。(5)「宇宙実験3」の実験条件(液柱アスペクト比、液柱体積比、印加温度差など)を具体的に策定し、実験実施への準備を進めた。次の「宇宙実験2、3」および地上研究を実施した。「宇宙実験2」平成25年9月平成26年2月:「動的界面変形が対流不安定性に与える影響に関する実験」(その1)、「宇宙実験3」平成26年12月平成27年4月:同(その2)。

(1)計31回に渡る「宇宙実験3」を実施し、5cStのシリコーンオイルを作動流体とし、ディスク直径10mmの液柱について、振動流遷移条件、液柱の動的界面変形の特性、振動流遷移に与えるディスク温度の影響などに関する実験データを得た。ディスク径10mmと30mmの動的界面変形の測定結果から、そのディスク径範囲では振動流遷移がMa数支配であることを明らかにした。(2)国際宇宙ステーションで実施した微小重力実験のうち、特に温度差マランゴニ効果を強めていった際の振動流遷移条件、カオス化・乱流化過程に注目した。プラントル数が100を超える高プラントル数流体における非線形化過程の定量的評価に成功した。また、微小重力環境下で得られた振動流遷移過程に関し、数値解析によってその現象を定性的に説明することに成功した。(3)安定性解析結果と宇宙実験との比較を困難にしている高プラントル数流体の主流に含まれる特異性が、上下ロッド内の温度分布を考慮に入れることで緩和されることを見出した。この点を考慮に入れた安定性解析の結果はまだ得られには至っていない。地上実験を通じて、アスペクト比液柱における混合モードPASの発生条件を特定した。また、液柱の持つ円の対称性を破ることで、回転波の発生を抑えることができることを示した。(4)前年度に引き続き、表面張力流の制御性に関する地上実験を継続した。液柱周囲の温度条件を制御する方法を検討し、冷却ディスク温度を540°Cの範囲で変化させて不安定性を調べた。また、フルゾーン液柱および薄液膜の表面張力流について非制御下の対流場を調査した。26年度が最終年度であるため、記入しない。熱工学26年度が最終年度であるため、記入しない。平成24年度交付申請書の研究実施計画として(1)(9)の項目を掲げた。それらの全ての項目について概ね順調に進展していることから「(2)」と自己評価した。平成25年度交付申請書の研究実施計画として、(1)「宇宙実験1」の詳細データ解析および、(2)「宇宙実験2」と「宇宙実験3」の実施、(3)表面張力流の制御性に関する地上実験の継続、(4)線形安定性解析および直接数値解析の継続、(5)「宇宙実験4」の実験条件策定の5項目を掲げた。各項目の達成状況は次の通りである。(1)は計画通り進捗している。(2)の「宇宙実験2」は全ての実験を実施したが、「宇宙実験3」については日本実験棟「きぼう」の予期せぬ不具合(具体的には、冷却システムの不具合)のため実験実施が平成26年夏頃に延期された。研究者側の責任とならぬやむを得ぬ延期であるが、「宇宙実験3」を実施することができなかった。(3)については、当該分野の専門家を研究分担者に加えることによって体制を強化し、フルゾーン液柱に対する実験的研究を進め、査読付き論文1件を公表した。(4)については、計画通り進捗し、査読付き論文1件を公表した。(5)については、「宇宙実験3」の延期に伴い、次年度(平成26年度)に実施することとなった。以上の達成度を鑑み、2と評価した26年度が最終年度であるため、記入しない。平成25年度交付申請書に記載の通り進める。表面張力流の制御性に関する地上実験については、当該課題の専門家である工藤(東京都立産業技術高等専門学校・ものづくり工学科)を研究分担者に加えて、体制の更なる強化を図る。本年度(平成26年度)の交付申請書に記載の計画に沿って進める。
骨・靭帯付着部における超微形態・機能解剖学的構造とその破綻後の解明

今回我々は、次世代走査型電子顕微鏡(FIB/SEMトモグラフィー)を用いて、正常腱骨付着部と術後腱骨間治癒の違いを超微形態レベルで検討し、術後腱骨間に正常腱骨付着部を再生させる知見を得ることを目的とした。結果、正常腱骨付着部の構築には、SOX9/SCXを発現し、突起を持った軟骨細胞様細胞群が、重要な役割を担っていることが示唆された。術後腱骨間に正常腱骨付着部の組織構築を再生させていくのであれば、これらを更に検証していく必要がある。同時に、2つの組織の違いを検証していくことは、腱縫合/移植術の治療戦略を考えて行く上で重要な知見に成り得る為、今後更なる付着部形成過程の評価を行っていく必要がある。本年度(平成25年度)は、当初の研究実施に沿い、ラット腱板縫合モデルを用いて、腱骨間治癒の組織形態変化と力学的強度を検討した。まず、SDラットを用いて急性期腱板縫合モデルを作製し、術後4、8週後に屠殺し、各々評価を行った。力学的強度評価としては、引張試験機にて腱骨間の破断試験を行い、最大破断強度と剛性を計測した。また、形態学的な評価としては、従来の組織染色(HE染色等)に加え、次世代走査型電子顕微鏡(FIB/SEM tomography)を用いて、超微形態レベルにおける細胞の3次元構造解析を行った。結果、力学的強度は単純な腱板縫合モデルにおいても、その力学的強度は週数を経るにつれその強度を増強させてはいるが、依然として正常付着部の力学的強度には及んでいない状態であった。形態学的変化に関しては、術後腱骨間に存在する肉芽組織は、週数を経るに伴い、その形態を変化させており、細胞配列やコラーゲン線維束は成熟したものになっていた。また、介在する肉芽組織と骨との間には、両組織間をまたぐように存在する細胞を認め、その細胞突起は両組織間を錨着するように伸びていた。これは、術後腱骨間の線維性錨着が行われている中で、重要な形態変化であると考えている。また、現在は出生後腱骨付着部が形成されるまでの形態変化を中心に検討しており、これに関しては、FIB/SEM tomographyyを用いた超微形態組織変化と、腱/靭帯、軟骨形成に重要な関わりを持つSOX-9、Screlaxis発現変化の両面から解析を行っている。初年度(平成24年度)は、当初の研究実施計画に沿い、骨・靭帯付着部を次世代走査型電子顕微鏡(FIB/SEM tomography)に導入する為、硬組織における適正条件の設定と画像処理法の確立に重点をおいて実施した。まず、ラット各関節の骨・靭帯付着部を個別にFIB/SEM tomographyを用いて撮影し、各関節に存在する骨・靭帯付着部の、どの部分が評価により適切なのか検証を行った。結果、肩関節の腱骨付着部はFIB/SEM tomographyによる、解像度の高い連続切削画像を取得することが比較的容易であったが、膝関節に存在する骨・靭帯付着部は靭帯自体が細いこともあり、非常に連続切削画像を取得することが困難であった。そこで、まずは肩関節に存在する棘上筋腱付着部の超微形態構造解析をおこなうこととした。結果、従来の光顕レベルでは、軟骨を介した4層構造を呈するとしか言われなかった正常付着部であるが、FIB/SEM tomographyによる高解像度連続切削画像を元にした3次元構造解析を行う事により初めて、骨と腱の間に存在する細胞は、骨側から腱側にかけて非常にスムーズな細胞形態移行をも呈していることが明らかとなった。恐らくこの方法以外では明らかにすることの出来なかったこの所見は、力学的にも過酷な環境にさらされている正常付着部の強度を支える、重要な解剖学的構造であると考えられる。本結果は、2012年10月日本肩関節学会、2013年3月日本解剖学会総会、4月国際肩肘関節学会(ICSES)にて発表、報告し、現在論文執筆中である。また、現在は整形外科領域の日常診療において頻繁に行われている、腱板縫合術の腱骨間の修復過程を組織学的に解明する為、ラットの腱板縫合モデルを作製し、その腱骨間修復過程をFIB/SEM tomographyを用いて、正常付着部との3次元組織構造の相違を解析中である。本年度(平成26年度)は、当初の研究実施に沿い、出生後ラットを用いて、出生後腱骨付着部が形成されるまでの形態変化を中心に検討した。まず、SDラットを用いて出生後1、2、3、4週に屠殺、肩関節にある棘上筋腱を摘出し、検体として用いた。

棘上筋腱発達過程の具体的な評価項目としては、従来の染色法としてのHE染色、腱/靭帯、軟骨形成に重要な関わりを持つSOX-9、Screlaxi (SCX)発現動態を評価するための2重蛍光免疫染色、超微形態の評価として、次世代走査型電子顕微鏡(FIB/SEM tomography)を用いた、付着部に存在する細胞の3次元超微形態構造解析を行った。結果、HE染色では依然として細胞形態の変化を正確に捉えることは出来なかった。SOX9とSCXの発現では、出生後付着部に存在する細胞群はSOX9、SCX共にその発現を認めていたが、週数を経るにしたがいその発現は減弱していた。FIB/SEM tomographyを用いた細胞形態では、軟骨様の細胞が、突起を無秩序に伸ばしているのが観察され、週数を経ていくに従って突起の数は減少していたが、長さ自体は長くなり、一定の方向性を持ってコラーゲン線維束間にその突起を伸ばしている細胞が多く見られた。今回の結果から、正常腱骨付着部の構築には、SOX9、SCXを発現し、無秩序な方向性を持つ細胞突起を有した軟骨細胞様の細胞群が付着部領域に存在していることが、重要な役割を担っていると考えられる。今後も様々なアプローチから付着部形成過程の評価/再評価を行っていく必要がある。本結果は、2014年日本整形外科基礎学術集会、日本臨床分子形態学会、日本肩関節学会、2015年3月日本解剖・生理合同学会、Orhopaedic Research Societyにて発表、報告し、現在論文投稿中である。整形外科当初計画していた予定どうりに概ね進んでいる。また、懸念されていた硬組織における適正条件の設定と画像処理に関しては、前年度より改善され、克服できつつあるものの、画像解像度の点からいくつかの問題も残されており、プロジェクトと並行して更なる改善を行っている。現在出ている結果に対しては、成果発表も行い、論文執筆中である。当初の計画通りではないが、計画当初問題と思われていた、硬組織における適正条件の設定と画像処理法の確立に関し、依然としていくつかの問題はあるものの、克服できつつある。また、現在出ている結果に対しては、成果発表も行い、論文執筆中である。前年度と同様、実験動物として用いるラット、妊娠ラットの購入と維持費、FIB/SEM tomography使用時の消耗品購入の為の経費が基本的に必要となる。現在、蛍光標識による免疫染色との比較も行っているため、免疫染色のための抗体等試薬の購入が必要である。今後、更に精度のよい力学的な評価の為、力学試験用計測機器の購入も必要と考えている。また、出生直後のラットを取り扱っており、精度よく検体を採取するためには、新型の実態顕微鏡の購入も必要かと考えている。前年度と同様に、結果は随時、学会発表/投稿論文の形で公表していく。その為、学会発表出張時、論文投稿に要する諸経費も必要となる。現在行っている、棘上筋腱正常付着部と、腱板縫合後腱骨間の組織修復過程の組織学的相違点を、FIB/SEM tomographyを用いて、3次元的超微構造の観点から検証していく。また、当初の実験計画にもあるように、正常の骨・靭帯付着部は生後1ヶ月程で完成されることから、出生後から1ヶ月までのラットを用いて、時系列にFIB/SEM tomographyを行い、3次元的構造の観点から正常な骨・靭帯付着部が形成されるまでの形成過程を検証する予定である。最終的には、様々な動物実験モデルに対し、FIB/SEM tomographyによる3次元構造解析を用いる事が、硬組織領域における形態的な3次元組織構築を評価し得る、1つのツールとして確立されることを目指す。
日本海での二酸化炭素の大気-海洋間フラックスの季節変化に関する研究

地球を温暖化に導く恐れのあるCO_2濃度が大気中で着実に増加している。大気中に放出されるCO_2の約6割が大気中に蓄積され、残りの約4割が海洋と植物に吸収されていることになっているが、CO_2の吸収に果たす海洋と植物の役割は確定していない。現在、陸域部と海域部において精力的な研究が展開されているが、得られた結果の多様性、その変動の大きさを考えると、現時点のデータは、質、量共に不十分である。特に、海域部における質の良いデータが不足している。海洋上でのCO_2交換量の測定は、船舶を利用してバルク法で推定する場合が多い。しかし、バルク法に含まれているガス交換係数は、不確定な仮定に基づいたものであり、使用する式によって値が異なっている。測定原理が明確な方法で海洋上でのCO_2交換量を確定することが要請されている。我々の最終的な研究目的は、気象学に基づいた、海域部でのCO_2交換量の測定方法を確立することである。そのため、2000年の夏季から定期的に、水平方向の一様性が保証されている京都大学防災研究所・大潟観測所の固定桟橋を利用して、バルク法と気象学的測定法(渦相関法、傾度法、スペクトル密度法)を使ってCO_2交換量の比較観測を実施してきた。バルク法以外の3種類の測定方法の結果はよい一致を示し、気象学的測定法が海上でのCO_2交換量の測定に有効に機能することがわかった。本研究の成果として、我々は、船舶観測に主流となる海域部でのCO_2交換量の測定には、バルク法に代って、船舶振動の影響を受けない傾度法、あるいは、スペクトル密度法を使用することを提言する。我々は2001年8月5日7日の3日間、京都大学防災研究所附属大潟波浪観測所の桟橋で大気-海洋間における二酸化炭素交換の観測を行った。観測期間中は天候に恵まれ、昼間の海風は36ms^<-1>、夜間の陸風は13ms^<-1>であった。本年度の観測で得られた成果を下の2つの観点からまとめる。1)大気-海洋間における二酸化炭素交換量測定法の確立について二酸化炭素交換量は、渦相関法、空気力学的傾度法、バルク法の3手法で測定した。昼間、海風条件下での二酸化炭素輸送量は、渦相関法は約0.04mgm^<-2>s^<-1>、空気力学的傾度法とバルク法は約0.38mg^<-2>s^<-1>を示した。渦相関法に関しては、センサーの感度と周波数応答に問題がなく、二酸化炭素交換量を正確に測定していた。他方、空気力学的傾度法とバルク法による二酸化炭素交換量が似た値を示したが、これらの値は拡散係数とバルク係数の決め方に依存している。桟橋でのこれまでの経験と本年度の観測結果から、上の2つの係数に含まれている不確定さが解明できるとの感触を得た。2)大気-海洋間の二酸化炭素交換量の日変化について渦相関法で測定した二酸化炭素交換量は、海風時に約0.04mgm^<-2>s^<-1>、陸風時に約0.2mgm^<-2>s^<-1>を示した。この結果は、海風時には十分な水吹距離が確保されているので、二酸化炭素の大気-海洋間の相互作用の結果を見ることができ、陸風時には近くの陸域植生起源の二酸化炭素の移流の影響を見ている。

また、観測期間中、二酸化炭素が終日海水中から大気中に放出されていることを示したが、今回の観測が海水温度の上昇時期に実施されたために、海水の溶解度が低下していることを反映していることを示唆している。平成14年度も大潟波浪観測所での観測を充実・継続させ、空気力学的傾度法とバルク法を確立させたい。そして、その成果を船上観測に応用させたい。2002年7月28日8月7日、9月18日23日の計19日間.京都大学防災研究所附属大潟波浪観測所の桟橋で大気一海洋間における二酸化炭素交換の観測を行った。観測期間中は天候に恵まれ、昼間の海風は38ms-1、夜間の陸風は13ms-1であった。本年度の観測で得られた成果は次の通り。渦相関法、空気力学的傾度法、バルク法の3手法で二酸化炭素交換量を測定した。昼間、海風条件下での二酸化炭素輸送量は、渦相関法と空気力学的傾度法では約0.06mgm-2s-1を示した。海洋での二酸化炭素交換量が異なった気象学的測定手法でクロスチェックされたことは、世界で初めてであり、極めて刺激的な観測結果が得られた。これに対して、バルク法は約1/101/100の交換量の値を示した。この測定手法による酸化炭素交換量の相違は、主として、渦相関法と空気力学的傾度法が大気-海洋間の二酸化炭素交換の短い時間応答の変化を測定しているのに対して、バルク法が海流、海水中の化学反応と生物活動の影響等複雑過程の平衡条件を満たすだけの長い時間が必要であることに起因している。大気-海洋間の二酸化炭素交換量を全海域で推定するには船舶観測が避けられない。バルク法が現在まで利用されているのも船舶観測が容易なためである。気象測定器の発達が著しい現在、理論的にしっかりしている空気力学的傾度法がバルク法に取って代わるべきである。今回の研究結果は、空気力学的傾度法を船舶観測に適用する上での問題点が解決されつつあることを示唆している。平成15年度も大潟波浪観測所での観測を充実・継続させ、渦相関法、空気力学的傾度法、バルク法それぞれの長所・短所を明らかにし、その成果を船舶観測に応用させたい。我々の最終的な研究目的は、気象学に基づいた、海域部でのCO_2交換量の測定方法を確立することである。そのため、2000年の夏季から定期的に、水平方向の一様性が保証されている京都大学防災研究所・大潟観測所の固定桟橋を利用して、バルク法と気象学的測定法(渦相関法、傾度法、スペクトル密度法)を使ってCO_2交換量の比較観測を実施してきた。本年度の観測は、2003年7月26日8月7日、9月20日30日に実施した。CO_2交換量は、3種類の気象学的測定の結果はよい一致を示し、気象学的測定法が海上でのCO_2交換量の測定に有効に機能することが確認できたが、バルク法による値より2桁大きいフラックス値であった。この差の原因は、バルク法に含まれている交換係数では短い時間でのフラックス値の変化を表すことができないことと関連しているように思えた。気象学的測定法で測定したCO_2交換量は、数日周期でイベント性の放出/吸収を示す傾向がある。もし、イベント性の放出/吸収が統計的に有意とみなせるだけの時間平均(例えば1ヵ月)を行えば、気象学的測定方法とバルク法によるCO_2交換量は矛盾しなくなる可能性がある。本年度の成果として、我々は、船舶観測に主流となる海域部でのCO_2交換量の測定には、バルク法に代って、船舶振動の影響を受けない傾度法、あるいは、スペクトル密度法を使用することを提言する。
MPTPおよび興奮性アミノ酸による神経細胞死とその防御機構に関する研究

細胞内Ca^<2+>は、通常100nM程度の低い値に保たれているが、細胞外からの刺激に応答し、その濃度が急激に上昇することで細胞内セカンドメッセンジャ-として働くと考えられている。このコントロ-ル機構が破綻し、細胞内Ca^<2+>濃度が異常に上昇し続けることにより神経細胞死が惹起されることが示唆されている。本年度、私どもは細胞内Ca^<2+>濃度上昇に引き続き起こる神経細胞死、またその防御機構を明らかにするため、Ca^<2+>依存性に活性化されるプロテインキナ-ゼとプロテインホスファタ-ゼについて研究を行い、以下に示すような知見を得ることができた。1)発達期脳における神経細胞死とプロテインキナ-ゼCとの関係を調べるため、発達期脳におけるプロテインキナ-ゼC分子種の変化を検討した。すべての分子種は発達にともなって増加するが、α、β1分子種は生下時にすでに存在するのにたいして、β11、γ分子種は生下時には検出されず、シナプス形成が起こると考えられる生後1ー2週から急増することが明らかになった。2)線条体黒質系におけるプロテインキナ-ゼC4分子種の局在と神経伝達物質の共存について、免疫組織化学的に検討した。その結果、α分子種は線条体コリン作動性細胞や黒質のド-パミン作動性細胞、βー1分子種は線条体内在性GABA神経細胞の細胞に存在していることが明らかになった。3)カルシニュ-リン触媒サブユニットのサブタイプの脳内分布をin situ hybridization法により明らかにした。またその活性化機構についてカルモジュリンアンタゴニストを用いて解析した。4)GABA_B受容体をアフリカ爪ガエル卵に発現させ、プロテインキナ-ゼCにより制御されることを示した。5)ラット海馬CA3領域において、ノルエピネフリン前駆体であるLーthreoーDOPSが長期増強現象を強めることを見いだし、細胞内カルシウム濃度をノルエピネフリンが調節する可能性を明らかにした。上記のように、プロテインキナ-ゼC及び、カルシニュ-リン各サブタイプの分布が明らかになり、またcDNAも得られたので、現在はそれぞれの神経細胞死及びその防御機構における役割を明らかにするため、さらに解析を進めている。
樹木の心材形成を制御する自己分解酵素の挙動に関する細胞生物学的研究

本研究では、ショットガンプロテオーム解析により、ドロノキ辺材中の放射柔細胞に含まれるタンパク質の放射方向における変動を明らかにし、辺材の内層において増加する放射柔細胞の細胞死過程における自己分解に関わると予想される複数のプロテアーゼを選抜した。さらに、これらのプロテアーゼについて、辺材中の放射柔細胞における放射方向での遺伝子発現量の変動パターンをリアルタイムPCR解析により明らかにした。また、短命の木部細胞である管状要素の細胞死において重要な役割を果たすタンパク質分解酵素であるxylem cysteine peptidase(XCP)に関するポプラ形質転換体を作出し、XCPの局在解析を行った。本研究では、実験1:放射柔細胞の細胞死過程における発現タンパク質の網羅的解析、および実験2:放射柔細胞における自己分解酵素の蓄積および輸送に関する解析を行うことにより、樹木特有の長命細胞である放射柔細胞の独自の細胞死発現機構を明らかにすることを目的としている。本年度は、網羅的手法であるショットガンプロテオーム解析によって、放射方向における放射柔細胞の生理機能の変化を明らかにし、同時に細胞死を特徴付ける自己分解酵素の探索を行った。また、自己分解酵素を可視化するためのポプラ形質転換体の作出に着手した。ショットガンプロテオーム解析には、ドロノキ(Populus suaveolens)2個体より採取した試料を用いた。当年形成木部を除いた辺材を三分割して外層、中央部、内層とし、それぞれからタンパク質を抽出し、nano-LC-MS/MSにより分析を行った。辺材より抽出されたタンパク質についてショットガンプロテオーム解析を行った結果、783種のタンパク質が同定された。これらについて機能分類を行い、タンパク質の存在量に基づいて辺材中の各部位における機能ごとのタンパク質の割合を算出した。その結果、辺材中において各機能のタンパク質の全体に占める割合が変化していることが明らかになった。顕著に変動したと分類されたタンパク質は240種であり、同定されたタンパク質のうち約30%を占めることが明らかになった。加えて、変動したタンパク質には、辺材外層あるいは内層で最大値あるいは最小値を示すものが多かった。したがって、辺材外層と内層では、各機能のタンパク質の全体に占める割合だけではなく、豊富に存在するタンパク質の種類も変化しているといえる。以上の結果より、放射柔細胞は、放射方向における位置により果たす役割が異なると考えられる。さらに、辺材内層において特徴的に増加する自己分解酵素を見つけることができた。本年度では計画に沿った形でドロノキ放射柔細胞のショットガンプロテオーム解析を実施し、放射方向における放射柔細胞の生理機能の変化および放射柔細胞の細胞死を特徴付ける自己分解酵素を明らかにすることができた。また、自己分解酵素を可視化するためのポプラ形質転換体を作出し、現在育成中である。上記のように当初の計画を達成しているため、おおむね順調に進展していると判断した。本年度は、前年度に実施したショットガンプロテオーム解析の結果より選抜された放射柔細胞の細胞死過程における自己分解に関与すると予想されるプロテアーゼの遺伝子発現パターンを中心に解析を行った。また、自己分解酵素を可視化するためのポプラ形質転換体の解析手法の検討を進めた。ドロノキ(Populus suaveolens)樹幹より採取した試料を用いた。試料は採取後、直ちに液体窒素を用いて凍結させた。分化中の細胞を除くため当年形成木部を取り除いた。続いて、辺心材境界を確実に含むように、わずかに着色した部位を残して髄側を取り除いた辺材試料を得た。得られた試料を三分割して辺材外層、辺材中央部、辺材内層とし、さらにそれぞれを三分割して合計9個の試料を得た。各試料よりtotal RNAを抽出し、逆転写反応により1本鎖cDNAを合成し、自己分解に関わると予想されるプロテアーゼ遺伝子の発現パターンについてリアルタイムPCRによる解析を行った。その結果、今回解析した放射柔細胞の自己分解に関与すると予想されるプロテアーゼの辺材内層におけるタンパク質レベルでの蓄積は、遺伝子発現量の増加では説明できないことが明らかになった。また、昨年度に作出した自己分解酵素を可視化するためのポプラ形質転換体について、目的の遺伝子が導入されていることを確認し、解析に十分な大きさになるまで育成を行った。これらの形質転換体を用いて、ライブイメージングを行うための解析について条件検討を進めた。本年度では計画に沿った形で、放射柔細胞の細胞死を特徴付ける自己分解酵素の遺伝子発現パターンを明らかにすることにより、他の植物細胞におけるプログラム細胞死との違いをより明確にすることができた。また、自己分解酵素を可視化するためのポプラ形質転換体の育成を進め、放射柔細胞のライブイメージングを行う上で十分な大きさの個体を得ることが出来ており、現在は解析手法を検討中である。上記のように当初の計画を達成しているため、おおむね順調に進んでいると判断した。

本年度は、自己分解酵素を可視化するためのポプラ形質転換体の解析を進めた。短命の木部細胞である管状要素の自己分解過程において重要な役割を果たす自己分解酵素であるXylem Cysteine Peptidase(XCP)と相同性をもつポプラのXCP2Bをターゲットとして形質転換を行い、1ヶ月in vitroにおいて育成させたポプラの葉、茎、根を解析に用いた。まずXCP2Bのプロモーターに緑色蛍光タンパク質(GFP)およびβ-グルクロニダーゼ(GUS)を連結した遺伝子(XCP2BPro::GFP-GUS)を導入したポプラ(Populus tremula x P. tremuloides)を用いて解析を行った。葉や根においては、維管束においてGUS活性が認められたことから、シロイヌナズナのXCPの局在と類似しているといえる。茎においては、二次師部、形成層および二次木部が発達しているのが観察された。二次木部におけるGUS活性は、木部繊維および放射柔細胞において観察された。GFPの観察においても同様の局在が認められた。続いて、XCP2BのプロモーターにXCP2Bおよび光変換型蛍光タンパク質のDendra2を連結した遺伝子(XCP2BPro::XCP2B-Dendra2)を導入した形質転換体についても同様に解析を行ったが、Dendra2の蛍光シグナルを観察することができなかった。目的遺伝子のゲノムへの挿入については確認できたため、解析した個体において導入遺伝子の発現量が低かった可能性が考えられる。本研究では、ショットガンプロテオーム解析により、ドロノキ辺材中の放射柔細胞に含まれるタンパク質の放射方向における変動を明らかにし、辺材の内層において増加する放射柔細胞の細胞死過程における自己分解に関わると予想される複数のプロテアーゼを選抜した。さらに、これらのプロテアーゼについて、辺材中の放射柔細胞における放射方向での遺伝子発現量の変動パターンをリアルタイムPCR解析により明らかにした。また、短命の木部細胞である管状要素の細胞死において重要な役割を果たすタンパク質分解酵素であるxylem cysteine peptidase(XCP)に関するポプラ形質転換体を作出し、XCPの局在解析を行った。残りの研究期間において、放射柔細胞の細胞死を特徴付ける自己分解酵素の蓄積および輸送に関する以下の3つの項目について研究を進める予定である。1.ポプラ形質転換体による自己分解酵素の動的挙動に関する解析系の構築:自己分解酵素の細胞内での蓄積あるいは細胞間での輸送の有無を解析するためのポプラ形質転換体を作出し、放射組織が十分に発達して解析可能な個体サイズになるまで育成する。2.ポプラ形質転換体を用いた自己分解酵素の動的挙動に関する解析:蛍光タンパク質と自己分解酵素を融合させたタンパク質を発現させたポプラ形質転換体の放射柔細胞について共焦点レーザ走査顕微鏡を用いて経時的解析を含めた詳細な観察を行う。