hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
東南アジアにおけるサトイモの遺伝的多様性のマッピングによる栽培化モデルの検証

(a)サトイモの自生群におけるDNA配列変異の分析台湾、フィリピン北部ですでに収集していたColocasia formosanaの標本についてDNAを抽出し葉緑体と核の遺伝子座のプライマーを使い配列を得た。これにより、C. formosanaと他のColocasia種を識別することが可能になり、また、C. formosana内にかなり多様性があり、フィリピンのものは台湾で広範に見られる変異株と最も類似性があることがわかった。台湾とフィリピンの類似性と地理的隔離はこの共通して見られる変異株が年代的に古いもので長く安定していることを示す。アジア太平洋地域の栽培種についてこれまでに出版したデータと比較すると、栽培種は選択、栽培化、拡散を通じて厳密な遺伝子の隘路を通過したことを示している。(b)野外調査と標本収集ベトナムと中国南部のメコン川流域、紅河流域、珠江流域で野外調査を行い標本を収集した。形態学的特徴とColocasia種の同所性から、交雑種とみられる自生群がベトナム北部と中国南部で見つかった。また、自生する野菜として、豚の餌としてコメンサルワイルドなサトイモが利用されていることが確認できた。これらの標本についてはDNAの抽出を開始しており、葉緑体と核の遺伝子座のシーケンシングに取り掛かるところである。ベトナムと中国における野外調査では、地元の研究者たちの協力によりたいへん成果をあげることができた。実験室ではさらに大量の標本を試験し、出版に要するデータを得るのに適した手法を確立することができた。(a)2018年度にはタイ、ミャンマー、インドでの野外調査を計画しており、これらの野外調査で必要となる現地研究者との対応が進行中である。(b)ベトナムと中国の4つの地域で収集した多くの標本が利用可能であり、サトイモの栽培化はどこで起こったのか、この種が栽培化されるときの交雑の役割、栽培型植物あるいはコメンサルワイルドな植物としてどのように拡散したのかについての仮定を検証することを目的としてこれらの標本を分析していく。
進化生物学・発生生物学・ゲノム情報による複合的な形態形成研究

鳥類以上の脊椎動物の心臓は、心室が非対称な発達をとげ、体循環を支える左心室と肺循環を支える右心室に分離する。これまでの研究から、この非対称な心臓発生の鍵となるのがTbx5遺伝子であることがわかってきた。この遺伝子は、ニワトリ、マウス、ヒトにおいて左心室に限局して発現する。また、単心室をもつ魚類では心室全体に発現する。このことは、Tbx5遺伝子を指標にすることで、発生学的なアプローチと進化論的なアプローチの両方を取ることができることを意味している。発生学的な手法によって、Tbx5遺伝子を右心室側に強制的に発現させると、心室中隔が右側にシフトしたり、極端な場合には単心室となることが認められ、この遺伝子の心臓の左右非対称な発生への直接の関与が証明できた。マウスでは左右心室にdHAND、eHANDが別々に発現することが知られているが、ニワトリでは両遺伝子とも左右心室で全く同じ発現パターンを示した。これは、Tbx5遺伝子の右心室への強制発現が左心室化を示すものであるのか、ニワトリでは検証できないことを意味している。このような理由から、トランスジェニックマウスを作製し、ニワトリ同様にTbx5遺伝子を右心室に強制発現した所、dHAND、eHAND遺伝子の発現パターンの逆転が観察された。このような結果を総合すると、Tbx5遺伝子が左心室を規定し、Tbx5の発現しない領域が右心室となることを示唆している。本研究において、Tbx5遺伝子の積極的な関与が証明されたが、今後網羅的な遺伝子解析を行い、左右心室で別々に発現する遺伝子の探索を行う予定である。また、本研究による結果は、Tbx5遺伝子を指標に、脊椎動物の心臓の進化を解析できることを示しており、多様な生物のTbx5の解析によって進化論的なアプローチを進める端緒となった。
炭素材料の化学修飾と電子輸送特性

カリウム-黒鉛層間化合物のClsスペクトルの組成依存性を決定した。カリウム濃度が増加するに従って、Clsスペクトルは徐々に高エネルギー側にシフトし、ピークはブロードになっていった。高エネルギー側へのシフトはフェルミレベルのシフトを反映したものと考えられ、これはカリウムから炭素π^*バンドヘの電荷移動によるものと堆定された。CsC_<24>のようなアルカリ金属-黒鉛層間化合物は層間ナノスペースに種々の分子を取り込むことができる。このとき層間のアルカリ金属と分子とがどのように相互作用を行うか興味深い。CsC_<24>の電気伝導率はアセチレン吸蔵と共に比較的顕著に減少し、さらに吸蔵温度によって変化のしかたも大きく影響を受けることが確認された。これに対してエチレン吸蔵過程では電気伝導率の変化は10%以内とわずかであり、温度の効果も小さいことが認められた。これらの結果はエチレンではセシウムとの相互作用は少ないのに対してアセチレンでは強い相互作用が存在するためによると推測された。結晶性の異なる炭素材料について、カリウムインターカレーションに伴う電気伝導率と磁気抵抗、ホール係数の変化を測定したところ、ホスト炭素材料の黒鉛化度の良好なサンプルほど電気伝導率が大きく、大きな磁気抵抗の値が観測された。非常に結晶性の悪い場合にはカリウムのインターカレーションによって電気伝導率は変化せず、見掛け状は半導体的温度依存性を示したが、ある程度結晶性が向上するとカリウムインターカレーションによって金属的温度依存を示すようになることが認められた。ホスト炭素材料としてグラフォイルを用い、金属Csとのモル比が1:24となるようにして両者をガラス管中にセットし、真空下で封管した。これを電気炉中230°Cで数日間放置してすべての金属Csを蒸気で炭素材料に反応させた。反応生成物は420°Cで数日間アニールして均一化した。230°Cでグラフォイルに金属Cs蒸気を反応させながら電気抵抗の経時変化を追跡したところ、Csのインターカレーションと共に単調に減少し、最終的に約一桁ほど低い値となった。CsC_<24>の電気抵抗率はグラフォイルとは対照的に金属的な温度依存性を示し、HOPGをホストとするCsC_<24>と同様であった。CsC_<24>にエチレンまたはアセチレンを194Kおよび273Kで吸蔵させたときの電気伝導率の変化を調べたところしたところ以下のような結果が得られた。アセチレンの場合には吸蔵に伴って比較的大きな電気伝導率の減少が認められ、温度による変化も大きい。これに対してエチレンの場合には吸蔵に伴う電気伝導率変化は僅かであり、温度の効果もほとんどみられない。これはこれらの分子とCsイオンとの相互作用の違いによるものと考えられる。カリウム-黒鉛層間化合物のC1sスペクトルの組成依存性を決定した。カリウム濃度が増加するに従って、C1sスペクトルは徐々に高エネルギー側にシフトし、ピークはブロードになっていった。高エネルギー側へのシフトはフェルミレベルのシフトを反映したものと考えられ、これはカリウムから炭素π^*バンドへの電荷移動によるものと推定された。

結晶性の異なる炭素材料について、カリウムインターカレーションに伴う電気伝導率と磁気抵抗、ホール係数の変化を測定したところ、ホスト炭素材料の黒鉛化度の良好なサンプルほど電気伝導率が大きく、大きな磁気抵抗の値が観測された。非常に結晶性の悪い場合にはカリウムのインターカレーションによって電気伝導率は変化せず、見掛け状は半導体的温度依存性を示したが、ある程度結晶性が向上するとカリウムインターカレーションによって金属的温度依存を示すようになることが認められた。
東北地方日本海沿岸地域における湖沼堆積物を用いた歴史時代の環境変遷復元

本研究は,東北地方日本海沿岸地域に位置する湖沼堆積物を対象に,歴史時代から現在までの環境変化を読み取り,歴史史料の検討とあわせて,歴史時代における人間活動による自然環境への影響を評価することを試みた.調査対象は,新潟県高田平野頸城湖沼群,佐渡加茂湖,新潟平野沿岸部湖沼群,青森県十三湖とした.各湖沼において堆積物コアを採取して,堆積物の層相観察および,炭素・窒素含量,鉱物組成,帯磁率,化学組成の分析を行った.その結果,各湖沼の堆積物コアに垂直方向の特徴変化が認められた.こうした変化は,各流域の歴史時代における土地利用変化,開発行為,治水対策など人為活動の影響を受けているものと推察された.今年度は,青森県十三湖における調査を中心に行った.調査対象地域に関する文献や自然環境データの収集を行うとともに,関係研究者からも情報収集を行った.月には,現地調査を行った.十三湖において,箇所で堆積物コアを採取するとともに箇所で湖底表層堆積物を採取した.十三湖は最大水深が2m程度で底質も広い範囲で泥質であるため,最大で3mのコアを採取する事ができた.現在,採取した試料について分析を行っているところである.調査に当たっては,弘前大学と東北大学の研究者からの協力が得られた.弘前大学の大学院生の協力を得て,堆積物の珪藻化石についても分析を行うことになった.また,新潟県佐渡市の加茂湖について予察調査を行った.すでに加茂湖の漁業協同組合に調査許可を得,調査に使用する漁船についても交渉を行った.また,調査対象地域に関する文献や自然環境データの収集を行った.佐渡は中世から近世にかけて金銀山で栄えた地域である.対象となる加茂湖の流域には,鉱山はなかったようだが,佐渡島の歴史的な経済状況の変化に伴って土地利用が大きく変化したことが示唆された.今後古地図や歴史史料等も収集して,堆積物の解釈に役立てる予定である.今年度は,新潟県佐渡市加茂湖における調査を中心に行った.調査対象地域に関する文献や自然環境データの収集を行うとともに,関係研究者からも情報収集を行っている.8月には,現地調査を行った.加茂湖において,数箇所で堆積物コアを採取するとともに,複数箇所で湖底表層堆積物を採取した.加茂湖は,湖盆の大部分が水深が5mを越え,底質も広い範囲で泥質であるため,最大で1mのコアを採取する事ができた.調査に当たっては,弘前大学と東北大学の研究者からの協力が得られた.現在,採取した試料について分析を行っているところである.今後,収集した古地図や歴史史料等をもとに復元した佐渡島の歴史的な経済状況の変化や土地利用の変化と合わせて,堆積物の変化を検討していく.また,新潟県新潟市の佐潟,鳥屋野潟,福島潟について予察的な調査を行った.調査対象地域に関する文献や自然環境データの収集を行った.新潟市の湖沼群は,新潟市の都市近郊に位置し,歴史時代から,人為的な活動の影響を強く受けてきたことが予想される.また,これらの湖沼は,比較的近接した位置にありながら,水文条件や立地条件が異なることから,堆積物を比較することによって古環境の空間的な変化や,湖の特性と環境への応答性を検討することを試みる.今年度は,東日本震災の影響もあり,東北地方での調査をひかえ,新潟県内の予察調査と本調査の準備作業を中心に研究を進めた.調査対象地域に関する文献や自然環境データの収集を行った.また,今年度は,頸城湖沼群のうち,長峰池,朝日池,鵜ノ池で,試料の採取を行った.現在,分析を行っている途中であるが,以下の様な結果が得られた.1)朝日池コアと長峰池コアの帯磁率を比較すると,長峰池コアの帯磁率は,全層準を通して顕著に高い値を示す.古砂丘を構成する砂層も同様に高い値を示すことから,長峰池の堆積物は主に砂丘から供給され,朝日池の堆積物は河川から供給されているものと考えられる.2)朝日池コアの深度259 cmの層準に白色のテフラ層を確認した.このテフラ層を,焼山887年噴火の噴出物であると推定した.3)朝日池コアの下部には,白色の薄層が多く挟在する.これは,洪水流の流入を示すものと考えられる.しかし,この白色層は,深度73cmより上位には認められない.この層準を,周囲の水田開発が開始し,朝日池を用水池とするために南岸に堤が設けられた1646年と推定した.4)朝日池,長峰池コアの最上部約20cmには,顕著な粗粒化が認められる.いずれの場合も顕著な帯磁率の上昇をともなう.これは砂丘からの物質供給が増大したことを示し,戦後の砂丘地における開発の影響によるものと推定した.5)朝日池コアにおいて,焼山テフラ層(887年),白色層の消失層準(1646年),最上部の粗粒化開始層準(1970年)をもとに堆積速度を計算した.その結果,887-1646年の時期は,0.25cm/yであった.これに対して1646-1970年の時期は,築堤によって河川による物質供給が阻まれ,堆積速度は0.15cm/yに下がった.さらに1970年以降は,砂丘地開発の影響で0.69cm/yに堆積速度が上昇した.今年度は,新潟県佐渡市加茂湖において調査を行う予定であった.

しかし,調査で使用する船舶の業者と日程の調整がつかず,平成26年度中に調査を行うことができなかった.このため,この調査で採取した試料を分析することもできなかった.そこで,加茂湖における調査に関わる準備作業を進めた.調査対象地域に関する文献や自然環境に関わる資料,情報の収集を行った.佐渡島は,江戸時代から近代にかけて金採掘の盛衰に関連して経済状況や人口などが大きく変化している.今後,こうした社会状況の変化と堆積物の特性変化との対応関係を検討する.現地調査に加えて昨年度までに採取した試料の分析を進めた.粒度組成,密度,帯磁率など物理的な特徴に関しては分析を終了した.化学的な特徴や年代試料の分析依頼は次年度に進める.分析結果について,まだ十分に整理を行えていないが,各湖沼において,周辺の環境変化の影響を反映していると思われる粒度組成の変化が認められた.頚城湖沼群の朝日池においては,洪水堆積物と思われる白色層が,近代に入って堤防で閉め切られることによって消失することや,周辺の砂丘地の開発の影響と考えられる堆積物の顕著な粗粒化が認められた.今後,年代試料の分析結果とあわせて,周辺の土地被覆変化などとの対応関係を検討していく.本研究は,東北地方日本海沿岸地域に位置する湖沼堆積物を対象に,歴史時代から現在までの環境変化を読み取り,歴史史料の検討とあわせて,歴史時代における人間活動による自然環境への影響を評価することを試みた.新潟県高田平野頸城湖沼群,佐渡加茂湖,新潟平野沿岸部湖沼群,青森県十三湖において調査を行った.各湖沼において堆積物コアを採取して,堆積物の層相観察および,炭素・窒素含量,鉱物組成分析,帯磁率分析,化学組成分析などの分析を行った.頸城湖沼群の朝日池においては,コアの下部では白色のシルト層が粘土層中に多数狭在しているが,中部では白色層が認められなくなり,最上部では粗粒化する変化が認められた.下部に狭在する白色シルト層は,洪水堆積物と考えられ,白色層が多く狭在する層準は,周辺において開発が進行する時期に相当するものと推察された.その後,湖の南岸に堤が設けられ洪水流の流入がなくなった.また,最上部の粗粒化は,1970年代以降の砂丘地の開発に関係するものと考えられた.さらに,コア下底に認められる焼山期限の火山灰(887年),築堤の時期(1646年),砂丘地開発の開始時期をもとに堆積を求めたところ,0.19-0.69cm/年の範囲で堆積速度が変動してきたことが明らかになった.同様に,十三湖においても堆積物コアの上部で粗粒化の傾向が認められた.特に,南からの流入河川付近で粗粒部分が厚いことから,流入浮かせん流域における農地開発の影響が考えられる.一方で西方海岸砂丘や開口部からの物質供給も検討する必要がある.佐渡加茂湖においては,表層における顕著な粗粒化は認められなかった.一方で,コア上部で有機物含量が増大する傾向が認められた.これは,湖周辺における市街地化と牡蠣養殖発展の影響が考えられる.この有機物含量の増大は,湖水下層の貧酸素化,水質の悪化と関係している可能性が考えられる.本研究は,東北地方日本海沿岸地域に位置する湖沼堆積物を対象に,歴史時代から現在までの環境変化を読み取り,歴史史料の検討とあわせて,歴史時代における人間活動による自然環境への影響を評価することを試みた.調査対象は,新潟県高田平野頸城湖沼群,佐渡加茂湖,新潟平野沿岸部湖沼群,青森県十三湖とした.各湖沼において堆積物コアを採取して,堆積物の層相観察および,炭素・窒素含量,鉱物組成,帯磁率,化学組成の分析を行った.その結果,各湖沼の堆積物コアに垂直方向の特徴変化が認められた.
連邦型財政制度下での政策決定プロセスにおける政府間の戦略的行動に関する研究

課税競争は、その結果として過少な地方公共サービスの供給という非効率な結果を招くことが知られている。その一方で、地方政府が利己的な目的を持つとき、特に税収ないしは裁量的な財政余剰の最大化を目指すリヴァイアサン政府であるとき、課税競争は税率の低下を通じて住民に好ましい結果をもたらすことも指摘されている。しかし、リヴァィァサン政府による非効率を改善するシステムとして有効なのは、課税競争のみではない。代表的なものとして、住民の地域間移動とヤードスティック競争をもたらす住民の投票行動がある。先行研究には、課税競争と地域間人口移動を同時に扱ったモデルは存在するが、課税競争とヤードスティック競争の両方が起こりうるシステムを扱ったモデルは、私の知る限り存在しない。さらに、課税競争理論の多くは地方政府間の戦略的相互作用を基本において分析しているにもかかわらず、その相互関係は繰り返されることのない1期間のみのものとして扱われている。しかしながら、現実には、同じ政府同士の繰り返しの関係が税率などの政策決定に少なからず影響していると考えられる。以上のような観点から、課税競争とヤードスティック競争の両方が起こりうる連邦型財政制度を多期間モデルの中で考察し、以下のような結果を得た。・地方政府が十分に近視眼的でないとき、他地方政府のパフォーマンスを基準にした住民の投票行動が、現政府に対してより厳しくなるほど、住民の厚生は低下する。・住民の投票行動が現政府に対してより厳しくなるほど、また、投票基準として他地方政府のパフォーマンスを重視するほど、地方政府間での税率の協調が起きやすく、住民の厚生は低下する。・全体として、ヤードスティック競争は課税競争の正の効果を減殺する傾向にある。本年度は、連邦型財政制度における複数の地方政府間の繰り返しの相互作用に着目して研究を続けている。明らかにすべき課題のいくつかは次年度の研究に継続される。課税競争に関する研究は、過去20年の間に数多くの研究がなされ、多くの注目すべき成果が発表されてきている。他方で、課税競争理論の多くは地方政府間の戦略的相互作用を基本において分析しているにもかかわらず、その相互関係は繰り返されることのない1期間のみのものとして扱われている。私は、このような観点から、地方政府(特に、リヴァイアサン政府)間で可能性として存在する無限回の相互関係を仮定して、無限回繰り返しゲームの枠組みの中で、政府の戦略的な意思決定が住民の効用に影響することを明らかにした。無限回繰り返しゲームにおいては、フォーク定理で知られるように、十分に低い割引率が政府間での協調的な行動を誘発する。特に、資本税率の協調的決定が住民の厚生に与える影響は、住民が地方公共財に対してどれほど強い選好を持つかに依存する。住民が公共財に十分に強い選好を持つならば、税率の協調は住民の厚生を引き上げる。その一方で、公共財と私的財の間の資源配分のゆがみを大きくする。ただし、私のモデルには、課税競争だけではなく、ヤードスティック競争も導入されているので、一般的なフォーク定理を適用するだけで協調の可能性と住民への影響を完全に解き明かすことはできない。したがって、ヤードスティック競争を回避するための協調があるのかどうか、また、2つの面での協調が成立するのかどうか、さらには、それらの協調が住民の厚生にどのような影響を与えることになるのか、について明らかにすることが、次年度に継続される研究課題となる。
新規カチオン性イオノマ-の合成とその相間移動触媒への応用

1.イオノマ-の合成:次の方法により、2つの型のポリスチレン系カチオン性イオノマ-を合成した。(1)スチレン、クロロメチルスチレンを通常にラジカル溶液共重合し、重合度340の線状クロロメチル化ポリスチレン1を得た。それにトリブチルホスフィンおよび三級アミンを反応させ、2および3のイオノマ-を得た。(2)三級アミンとωーブロモアルコ-ルとの反応あるいはωーアミノアルコ-ルと1ーブロモアルカンとの反応により4を得、次の二通りの方法でイオノマ-5を得た。第一はテトラヒドロフラン中で4と水素化ナトリウムを反応させた後1と反応させる二段階法、第二は1のトルエン溶液と水酸化ナトリウム水溶液との2相不均一相間移動触媒反応条件で行う一段階法である。2.イオノマ-の希薄溶液粘度挙動:合成したイオノマ-を極性の異なる種々の溶媒ならびにそれらの混合溶媒に溶解させ還元粘度を測定した。その結果イオノマ-の溶液中での拡がりは主に溶媒のポリスチレン主鎖と対アニオンに対する親和性によって支配され、解離性基の存在状態は溶媒の対アニオンに対する親和性と誘電率によって決定されることを明らかにした。3.合成したイオノマ-を種々の求核置換反応の触媒として用い、多くの反応系に不溶であるが良好な触媒として働くこと、触媒効果は四級塩の種類、導入量およびスペ-サ-鎖の長さに依存することを明らかにした。
社会教育における労働と生活の調和に関する研究-過労死問題に取り組む遺族を対象に-

本研究は、労働組合の弱体化後に顕在化してきた労働と生活の調和という新たな社会的課題に対し社会教育研究が取り組んでいくための新たな研究視角を理論的・実証的に提示することを目的するものである。具体的には、企業の外側から問題の可視化に取り組んでいる社会運動として、過労死問題の遺族による取り組みを対象とする。本年度は、遺族組織の会員に対する悉皆調査の結果分析を中心に行った。調査は全国8か所で結成されている「過労死を考える家族の会」会員計204名を対象に実施し121名から回答を得た。遺族の基本属性・会員年数・労災申請状況および使用者に対する責任追及行動から、会員年数が浅く係争中の遺族が多いため支援側の会員の負担が大きいこと、夫の被災時に遺族に学齢期の子がいる割合が高く遺児支援ないしひとり親世帯による育児支援が課題となること、子を亡くした遺族(親)について晩婚化・非婚化や若年層の雇用問題の深刻化により今後入会段階における遺族(親)の高齢化が予測されることなどが明らかになった。遺族組織への評価では、遺族組織が運動体やセルフヘルプ・グループ、遺族としての「意思表示」の場など多様な役割を内包する一方で、労災認定結果や裁判の「勝敗」で会員間に分断が生じる等の課題が指摘された。また、組織的活動とは別に、一定数の遺族が独自に講演活動・出版活動に取り組んでいることが確認された。以上より、過労死の遺族組織は会員が「団結」し足並みをそろえて「一枚岩」をめざす従来の労働運動で志向された運動体とは異なる性質を有し、遺族同士をゆるやかに結び付けるプラットホーム(弱い紐帯)としての性質が見られることが指摘された。そのような性質が個々の遺族の主体的行動の発現を促すことになっていると考えられる。本結果については今後論文発表する予定である。本年度は、第一に、資料調査およびインタビュー調査通じて夫を亡くした遺族(妻)が夫の死に直面してから遺族代表として全国的な活動を担うまでの遺族の変容過程を解明する事例研究に取り組み成果をまとめた。そこでは、遺族が夫の死後に企業と交渉を続けた背後には夫の死後も企業への根強い信頼感を有していたこと、企業との交渉が決裂し企業と距離を置くことで夫の死をとらえ返し、裁判を通じて夫の死を社会問題として認識していったこと、他の過労死遺族と関わるなかで遺族の孤立化の克服という点に遺族組織の存在意義を見出していったことが明らかになった。第二に、遺族の現在の状況と遺族組織の活動への参加状況および遺族組織に対する考えを明らかにするために、遺族組織の会員に対して調査票による悉皆調査を実施した。以上をふまえ、次年度では量的調査から過労死遺族の行動プロセスと遺族組織内における遺族間の相互支援の内実を解明し、遺族となった会員が立ち直っていく過程において他遺族および遺族組織が果たしている役割を明らかにする。また、遺族による相互支援や遺族組織の果たす役割をより具体的に明らかにするために、本年度とは異なる属性を有する事例を抽出し事例研究を行う。
機能遺伝子のmRNAを標的としたFISH法の開発と脱窒素細菌の網羅的検出へ適用

生物学的窒素除去プロセスを開発し,高効率に運転管理するためには,プロセスの鍵を握る微生物群を検出し,それらを制御する必要がある.特に,脱窒素細菌群は系統学的に多様性が大きく,従来の16S rRNAを標的としたFISH法で網羅的に検出することはできない.そこで本研究では,脱窒素細菌群が保有するnirS遺伝子に着目し,その転写物であるnirS mRNAを標的とした排水処理プロセス中の脱窒素細菌群のFluorescence in-situ hybridization(FISH)法による検出法の開発を行った.FISH法に用いるプローブには,より広い検出レンジで標的微生物群を検出可能かつ高い特異性を達成可能なオリゴヌクレオチドプローブを採用した.また,通常のFISH法では細胞内低コピー分子であるmRNAの検出が困難であると考えられるため,Tyramide signal amplification(TSA)反応を利用した高感度FISH法のCatalyzed reporter deposition(CARD)-FISH法の適用を行なった.まず,nirS mRNA配列に特異的なnirS2RプローブのΔG°を計算し,高い親和性を持つプローブであることを確認した.次に,5'にHorseradish peroxidase(HRP)を標識したnirS2RプローブのFISHプローブとしての有効性の実験的評価を,Clone-FISH法を用いて行った.その結果,nirS2RプローブはFISHプローブとして適用可能であり,最適条件下においては,汚泥内で発現したnirS mRNAのみを特異的に検出可能であることを示した.そして本手法を,純粋菌株nirS遺伝子を保有するみPseudomonas stutzeriに適用したところ,低酸素条件下で培地に亜硝酸塩添加した場合にnirS mRNA由来と考えられるシグナルを得ることに成功した.また,し尿を処理する実排水処理サンプルに対しCARD-FISH法を適用したところ,一部の菌体からmRNA由来と考えられるシグナルが検出できた.ただし,DAPI染色細胞に対するnirS2Rプローブ検出細胞の検出率は0.1%以下であったため,今後,本手法の妥当性・有用性をより詳細に検討する必要がある.生物学的窒素除去プロセスを開発し,高効率に運転管理するためには,プロセスの鍵を握る微生物群を検出し,それらを制御する必要がある.特に,脱窒素細菌群は系統学的に多様性が大きく,従来の16S rRNAを標的としたFISH法で網羅的に検出することはできない.そこで本研究では,脱窒素細菌群が保有するnirS遺伝子に着目し,その転写物であるnirS mRNAを標的とした排水処理プロセス中の脱窒素細菌群のFluorescence in-situ hybridization(FISH)法による検出法の開発を行った.FISH法に用いるプローブには,より広い検出レンジで標的微生物群を検出可能かつ高い特異性を達成可能なオリゴヌクレオチドプローブを採用した.また,通常のFISH法では細胞内低コピー分子であるmRNAの検出が困難であると考えられるため,Tyramide signal amplification(TSA)反応を利用した高感度FISH法のCatalyzed reporter deposition(CARD)-FISH法の適用を行なった.まず,nirS mRNA配列に特異的なnirS2RプローブのΔG°を計算し,高い親和性を持つプローブであることを確認した.次に,5'にHorseradish peroxidase(HRP)を標識したnirS2RプローブのFISHプローブとしての有効性の実験的評価を,Clone-FISH法を用いて行った.その結果,nirS2RプローブはFISHプローブとして適用可能であり,最適条件下においては,汚泥内で発現したnirS mRNAのみを特異的に検出可能であることを示した.そして本手法を,純粋菌株nirS遺伝子を保有するみPseudomonas stutzeriに適用したところ,低酸素条件下で培地に亜硝酸塩添加した場合にnirS mRNA由来と考えられるシグナルを得ることに成功した.また,し尿を処理する実排水処理サンプルに対しCARD-FISH法を適用したところ,一部の菌体からmRNA由来と考えられるシグナルが検出できた.ただし,DAPI染色細胞に対するnirS2Rプローブ検出細胞の検出率は0.1%以下であったため,今後,本手法の妥当性・有用性をより詳細に検討する必要がある.
慢性関節リウマチにおける骨破壊のメカニズムに対する研究

平成11年度の実績慢性関節リウマチ(RA)の滑膜組織より採取した滑膜細胞や末梢血中の単核球を骨芽細胞の非存在下で、ヒト・マクロファージ・コロニー刺激因子(M-CSF)と可容性の破骨細胞分化誘導因子(ODF)を加えることにより、酒石酸抵抗性酸フォスファターゼ(TRAP)染色に陽性でビトロネクチン・レセプター(VNR)を有する多核の巨細胞が多数形成される。これらの多核巨細胞は、カテプシンK抗体にも陽性に染まり象牙切片上に吸収窩を形成することから、破骨細胞である。つまりRA滑膜細胞やRA患者の末梢血中の単核球はM-CSFとODFの存在下で破骨細胞に分化し骨吸収を行うことが判明した。これとは別に、RA滑膜細胞や末梢血中の単核球をM-CSFと活性型ビタミンD3の存在下で、ラットの骨芽細胞株細胞であるUMR106と共存培養すると破骨細胞が形成されることはすでに報告してきた。この共存培養系に破骨細胞形成抑制因子(OCIF)を加えると濃度依存性に破骨細胞の形成と骨吸収活性が抑制された。このことから、この共存培養系はODFを介して破骨細胞の分化活性化を行っていることが判明した。平成12年度の実績RA患者の海面骨を長期培養し、骨芽細胞様細胞を作成しin vitroでの破骨細胞分化支持能力について検討した。RA患者の海面骨より作成された骨芽細胞様細胞は、in vitroにおいてヒトの末梢血単球を破骨細胞へ分化させる支持能力があることが解明された。慢性関節リウマチ(RA)の滑膜組織より採取した滑膜細胞や末梢血中の単核球を骨芽細胞の非存在下で、ヒト・マクロファージ・コロニー刺激因子(M-CSF)と可容性の破骨細胞分子誘導因子(ODF)を加えると、酒石酸抵抗性酸フォスファターゼ(TRAP)染色で陽性に染まりビトロネクチン・レセプター(VNR)を有する多核の巨細胞が多数形成される。これらの多核巨細胞は、カテプシンK抗体にも陽性に染まり象牙切片上に吸収窩を形成する。以上のことから、RA滑膜細胞やRA患者の末梢血中の単核球はM-CSFとODFの存在下で破骨細胞に分化し骨吸収を行うことが判明した。RA滑膜細胞や末梢血中の単核球をM-CSFと活性型ビタミンD3の存在下で、ラットの骨芽細胞株細胞であるUMR106と共存培養するとTRAP陽性、VNRを有し、カテプシンK抗体陽性で骨吸収能を持つ多核巨細胞が形成されることはすでに報告してきた。以上のことから、この共存培養系はODFを介して破骨細胞の分化活性化を行っていることが判明した。
個体レベルでのレトロトランスポゾン研究のためのモデルマウスの開発

本研究では、intracisternal A particle(IAP)レトロトランスポゾンをモデルとして、レトロトランスポゾンとゲノムの相互作用を調べるためのモデルマウスの開発を行った。我々が新たに単離したIAP配列を有すトランスジェニックマウスを作製した。このIAP配列は、マウスの急性白血病細胞において転移を認めたものとして単離された経緯がある。そこで、IAPの転移により腫瘍が誘発される可能性を考えて観察を続けたが、明らかな腫瘍形成は認められなかった。そこで、このマウスの生体内におけるIAPの転移効率を調べたところ、同じIAP配列を用いた培養細胞レベルでの実験に比べ、著しく転移効率が低かった。これより、マウス生体内においては、導入したIAP配列の活性を積極的に抑える機構が存在する可能性が示唆された。そこで、ゲノムのエピジェネティックな制御に欠陥があるノックアウトマウスに対して、本研究で作製したIAPトランスジェニックマウスを交配させたところ、マウス生体内において転移反応が増大したと考えられる予備的結果を得た。これより、我々の作製したマウスが、レトロトランスポゾンによるゲノムの攪乱に対する防御機構を調べるためのモデルとなる可能性が示唆された。また、IAP配列がマウスのゲノム上で様々な転写を誘発してトランスクリプトームの形成に影響を与えていることと、IAPの分布がマウスの系統間で大きく異なることを明らかにした。これより、IAP配列が、マウスの系統問の遺伝学的形質に影響している可能性が示唆された。本研究では、intracisternal A particle (IAP)レトロトランスポゾンをモデルとして、レトロトランスポゾンがゲノムへ与える影響を調べるためのモデルマウスを開発する。本年度は、我々が独自に単離した、培養細胞において転移活性が証明されたIAPレトロトランスポゾンを用いて、以下の3つのベクターに関するトランスジェニックマウスを樹立した。(1)ベクター1---機能的なgag-pro-po1を発現する、完全長のIAP配列からなる。5'LTRのU3領域の代わりに、サィトメガロウィルスのエンハンサーとベータアクチンのプロモーターからなる強力なハイブリッド型プロモーターを用いた。マウス生体内での転移を最大限どの程度まで高められるかを知るために有用と考えられる。転移の検定には、GFPを用いる。(2)ベクター2---点変異によってgag-pro-polの産生が阻害されている。このため、転移を起こすためには、gag-pro-polが供給される必要があり、内在性のIAPの活性を検定するのに有用と予想される。(3)ベクター3---サイトメガロウイルスのエンハンサー、ベータアクチンのプロモーター、ベータ・グロビンイントロンからなる強力なハイブリッド型プロモーターによって、gag-pro-polを恒常的に高発現させるベクターである。このベクターを有すマウスを、ベクター2を有すマウスと交配すると、ベクター2の転移が誘発されると予想され、ベクター2の機能を検定するのに有用と考えられる。これまでのところ、これらのトランスジェニックマウスでは、IAPの転移は認めていない。このことから、ホストの細胞によってレトロトランスポゾンの活性が抑えれられている可能性が考えられた。今後は、この点について解析を進める中で、レトロトランスポゾンとゲノムとの相互作用を明らかにしたい。本研究では、intracisternal A particle(IAP)レトロトランスポゾンをモデルとして、レトロトランスポゾンとゲノムの相互作用を調べるためのモデルマウスの開発を目指している。昨年度は、我々が新たに単離したIAP配列を有すトランスジェニックマウスを作製した。よって、このトランスジェニックマウスにおいて、IAPの転移によるゲノムの不安定化と、それによる腫瘍形成の誘発の可能性を考え、観察を続けたが、明らかな腫瘍形成は認められなかった。

これより、マウス生体内においては、導入したIAP配列の活性を積極的に抑える機能が存在する可能性が示唆された。そこで、ゲノムのエピジェネティックな制御に欠陥があるノックアウトマウスに対して、本研究で作製したIAPトランスジェニックマウスを交配させたところ、マウス生体内において転移反応が増大したと考えられる予備的結果を得た。これは、我々の作製したマウスが、レトロトランスポゾンによるゲノムの攪乱に対する防御機構を調べるためのモデルとなる可能性を示唆している。
マクロファージの新たなリーシュマニア原虫認識機構の解析

2.in vitroでWTならびにIRE4KOマクロファージにL.majorを感染させた後、炎症性サイトカインのmRNAの発現をリアルタイムPCRで測定した。蛋白レベルと同様、IRF4KOマクロファージにおいては、TNF-aの発現亢進とIL12の発現低下が確認された。このことからIRF4KOにおけるL.major感染による炎症性サイトカイン産生の変化は、転写レベルでの制御であることが明らかとなった。生きたL.major感染時だけでなく、粗抗原においてもIRF4KOマクロファージにおけるサイトカイン産生の変化は同様であった。そこで、種々の変性粗抗原を作成し、L.major抗原の同定を試みた。その結果、不溶性画分に含まれ、ProteinaseK抵抗性であることが判明した。3.分子量の違いから粗抗原の分画を進めるべく、ゲル濾過法を試みた。分子量が現段階では不明なため幅広い分子量をカバーすることを目的に、SephadexG-100を用いて分離を開始した。1)野生型(WT)および転写因子」regulatoryfactor-4遺伝子欠損マウス(IRF4 KO)にL.majorを感染させると、感染2-5週の早期では抵抗性マウスであるB6マウスよりも足趾の肥厚は減弱しており、感染早期の局所の防御免疫がIRF4 KOでは亢進していることが示唆された。IRF-4は、リンパ球、マクロファージ、樹状細胞に発現しているため、T細胞による防御免疫の亢進ではなく、マクロファージによる局所の防御反応が亢進していることを証明する目的で、Rag2/IRF4 DKO(DKO)を作成した。まず、Rag2 KOにWTならびにIRF4 KOのCD4 T細胞を移入しL.majorを感染させたところ、感染2-5週では足趾の肥厚に差は認められなかった。一方、Rag2 KOあるいはDKOにWTのCD4 T細胞を移入したのち、L.majorを感染させたところ、感染3週でRag2 KOはB6マウスと同様であったが、DKOにおいては足趾の肥厚が減弱しており、マクロファージが防御免疫亢進の担い手であることが強く示唆された。2)in vitroでWTならびにIRF4 KOマクロファージにL.majorを感染させた後、炎症性サイトカインのmRNAの発現をリアルタイムPCRで測定した。蛋白レベルと同様、IRF4 KOマクロファージにおいては、TNF-αの発現亢進とIL12の発現低下が確認された。このことからIRF4 KOにおけるL.major感染による炎症性サイトカイン産生の変化は、転写レベルでの制御であることが明らかとなった。3)生きたL.major感染時だけでなく、粗抗原においてもIRF4 KOマクロファージにおけるサイトカイン産生の変化は同様であった。その結果、不溶性画分に含まれ、Proteinase K抵抗性であることが判明した。1)前年度の解析で、マクロファージが認識し、IRF-4KOマクロファージにおいて、IL-12産生が低下しTNF-α産生が亢進するリーシュマニア粗抗原の物理化学的性状を明らかにした。すなわち、蛋白であろうという予想と異なり、不溶性分画に含まれ、proteinase K抵抗性であることが判明した。そこで、当初予定していた液体クロマトグラフィーやマススペクトロメーターを用いた解析が困難となり、実験計画の変更を余儀なくされた。2)まず、分子量の違いから粗抗原の分画を進めるべく、ゲル濾過法を試みた。分子量が現段階では不明なため幅広い分子量をカバーすることを目的に、Sephadex G-100を用いて分離を開始した。3)野生型、IRF-4KO由来腹腔マクロファージにIL-12、TNF-αのレポータープラスミドを導入し、2)で分取した粗抗原の存在下で目的にかなう分画をスクリーニングずるべく、プライマリー細胞へのプラスミド導入のシステム構築を行った。様々な遺伝子導入法を試みるも遺伝子導入は困難であったが、プラスミドの精製方法、遺伝子導入方法を確立した。現在、プロモーター活性の測定を開始したところである。
カベオラ構成蛋白Cavinファミリーの機能解析による肺高血圧発症機序の解明

細胞膜カベオラ構成蛋白であるCaveolin-1は肺動脈性肺高血圧症の原因遺伝子の一つである。CavinファミリーとCaveolinファミリーは複合体を形成しているが、肺高血圧症発症・進展における役割は明らかではない。wild typeマウスに低酸素チャンバーを用いて10%酸素4週間の低酸素刺激(hypoxia)を行い肺高血圧症モデルを作成すると、低酸素刺激群の肺組織でCavin-2/SDPRの発現が亢進していることを見出した。そこで我々はCre-loxPシステムを用いてCavin-2/SDPRの全身ノックアウトマウスを作成し低酸素負荷肺高血圧症モデルを作成した。normoixa群ではwild typeマウスとCavin-2/SDPRノックアルトマウスで右室収縮期圧、右室重量に差は認めなかったが、hypoxiaによりCavin-2/SDPRノックアウトマウスではwild typeマウスと比較して右室収縮期圧の上昇があり、肺高血圧症の増悪が認められた。また、Cavin-2/SDPRノックアウトマウスの肺組織では、低酸素負荷によるERKのリン酸化がwild typeマウスと比較し亢進していることを明らかにした。Cavin-2/SDPRの全身ノックアウトマウスでは低酸素負荷による肺高血圧症増悪が認められることを明らかにしたが、その機序に関してはまだ十分に解明できていないため。肺高血圧症現在、CRISPR/CAS9システムを利用しヒト肺動脈内皮細胞とヒト肺動脈平滑筋細胞でCavin-2/SDPRをノックアウトした細胞を作成しており、これらの細胞を用いてNOSやMAPKの活性を検討し、Cavin-2/SDPRによる肺高血圧症発症・進展の分子機構を検討する。ノックアウトマウスの作成にかかる費用が軽減されたため。現在CRISPR/Cas9を入れたLenti virusを作成しており、それの作成と細胞実験における費用に使用する。また今後、平滑筋特異的ノックアウトマウスや内皮特異的ノックアウトマウスを作成予定であり、その費用に使用する。
アセチルコリンによる細胞内受容体を介した新たなシナプス可塑性調節機構の解明

海馬や大脳皮質の神経細胞においてムスカリン性アセチルコリン受容体M1(M1-mAChRs)は細胞小器官内に機能的に発現しており、その活性化は海馬CA1シナプスのシナプス伝達長期増強(LTP)を促進することを明らかにしてきた。本研究では、細胞内M1-mAChRsが内因性アゴニストであるアセチルコリンにより活性化して、海馬におけるLTPの促進に関与しているか明らかにする研究を行った。代表者らはこれまでに細胞内小器官内に発現するムスカリンM1受容体が、記憶の形成や想起に関与する海馬CA1におけるシナプス伝達長期増強(LTP)の促進に関与していることを明らかにしている。しかしながら、M1受容体の内因性リガンドであるアセチルコリンがどのように細胞内M1受容体を活性化してLTP促進に関与しているかについては未解明のままである。本研究課題では、細胞内M1受容体を介したLTP促進反応を引き起こすために必要な細胞外アセチルコリン濃度の上昇のパターンを明らかにして、細胞内M1受容体を介した新たな神経伝達機構の特性を明らかにすることを目的に研究を遂行した。実験には6-8週齢Wistar系雄性ラットから海馬スライス標本を作製し、GABAA受容体遮断薬のpicrotoxin存在下Schaffer collateralを双極タングステン電極で電気刺激することによりCA1領域の興奮性シナプス後電位(fEPSC)を観察した。また、LTPは100Hzで1秒間、高頻度刺激をすることにより誘導した。その結果、ムスカリン受容体作用薬のカルバコールでは50 nMを20分間作用させることで十分なLTP促進効果が観察されることが確認できた。さらに、アセチルコリンを20分間、濃度を10(-7)-10(-5)Mに変化させてLTPの促進効果を観察したところ、濃度依存的にLTPが増大することが明らかになった。前年度までに、海馬スライス標本においてムスカリン受容体作動薬を加えることにより細胞内に発現するアセチルコリンM1受容体を活性化すると、シナプス伝達長期増強(LTP)の促進が観察されることを明らかにした。本年度は内因性アセチルコリンが細胞内アセチルコリンM1受容体を活性化させ、シナプス可塑性を制御するか否かを明らかにするため、海馬CA1領域のシナプス伝達長期増強(LTP)に対する非可逆的コリンエステラーゼ阻害薬diisopropyl fluorophosphate (DFP)の効果を検討した。本研究では、シナプス応答はSchaffer側枝を電気刺激してCA1のstriatum radiatumからフィールド記録した。またLTPはSchaffer側枝を100Hzで1秒間高頻度刺激することにより導出した。スライスのコリンエステラーゼ活性が完全に抑制される濃度のDFPを前処置したスライス標本でLTPを測定すると、無処置群と比較してLTPが有意に増強した。DFPによるLTP増強は、選択的M1受容体拮抗薬pirenzepineで遮断されたことから、M1受容体刺激によるものであることが明らかになった。また、細胞膜を通過しないペプチド性M1受容体拮抗薬であるMT7は、DFPによる初期(5-15分)のシナプス伝達増強の亢進は抑制したが、遅発相(50-60分)の増強には影響がなかった。逆に、アセチルコリンの取り込みを抑える低濃度のtetraethylammoniumによってDFPによる遅発相(50-60分)の増強が抑制された。これらの結果より、コリンエステラーゼ阻害下では内因性アセチルコリンが神経細胞内に取り込まれることにより細胞内M1受容体が活性化して、シナプス伝達長期増強が促進的に調節されていることが示唆された。海馬CA1におけるLTP誘導条件の探索に時間がかかり、本年予定していたアセチルコリンによるLTP促進の時間依存性についての検討に着手できていないため、やや遅れていると判断した。薬理学大きなトラブルなく基礎データの収集が進んでいる。今後、本年度未着手の計画分を含めて計画通り研究を進める予定である。研究計画に一部遅れが生じたため、使用する動物数および試薬量が当初の見積もりより少なかったため。次年度は、本年度遅れた研究計画分を次年度研究計画とともに実施する予定である。したがって、次年度は繰越額を含めた全額を使用する予定である。
江戸時代の雛人形の頭髪に使用された黒染め生糸の素材技法および劣化機構に関する研究

江戸時代の雛人形の頭髪(スガ糸)には、タンニン酸と鉄媒染により染められた黒染め生糸が用いられ、繊維は酸や鉄による触媒作用の影響を受けて経年とともに劣化し粉末化することが問題となっている。本研究では、これまで修復困難で処分され、調査・研究の対象とされてこなかったスガ糸の制作技法を明らかにし、スガ糸の劣化速度を把握し寿命予測を行う評価法を確立することを目的とした。江戸時代の人形77体の頭髪剥落片の繊維素材を光学顕微鏡による断面観察とSEMによる表面観察により同定し、劣化因子である鉄イオンの有無をエネルギー分散型X線分析により確認した。生糸は53体、精練糸は10体、靱皮繊維は11体、人毛は3体で、殆どの繊維から鉄元素の存在が確認出来たことから、江戸時代のスガ糸には生糸と鉄媒染剤が使用されたことを明らかにした。さらに従来染織文化財の物性評価に用いられてきた引張試験に代わる評価法として、KES(Kawabata Evaluation System)圧縮試験によりスガ糸の圧縮回復性を求めることで、微量文化財試料での劣化度診断法の開発を行った。モデル試料を作製し(1wt%タンニン酸水溶液で染色の後2wt%硫酸第一鉄水溶液で媒染)、加速劣化(70°C,RH75%,70日間)に伴う繊維の圧縮特性と引張特性の経時変化を追った結果、試料の破断伸度が低下するにつれて圧縮回復性も低下する傾向にあった。江戸時代のスガ糸も、モデル試料で得られた脆弱な試料と類似した物性値を示した。このことから、今後引張試験を行うことが出来ない微量で脆弱な文化財試料に対して、その圧縮特性を測定することにより、ある程度の劣化度合いを計測することが出来ると期待する。
極冠域における降下電子と太陽風

極冠域に入射する電子は、主に100eV程度のエネルギーを持った粒子であり、これはオーロラ帯の入射粒子エネルギーに比べると、1ケタ程度低いものである。このため、極冠域には通常、あまり明るいオーロラは見られない。このような低エネルギーの入射粒子をポーラー・レインと呼んでいるが、特徴的な事としては、空間的に一様な入射が見られる点である。更に興味ある点としては、この入射粒子のフラックスが太陽風のセクター構造と密接な関係を示すことがあり、我々はこの点に注目して解析を行なった。ここでは主に、人工衛生で得られた入射粒子及び太陽風データを用いて、ポーラー・レインのフラックスの長期変動(4太陽自転期間)と惑星間磁場等の関係を詳しく調べた。これらの結果をまとめて見ると、次のようになる。1.南北半球でのポーラー・レインフラックスは、太陽の自転周期(27日)に伴なう、セクターの変化に対応して増減がくり返し見られる。すなわち、Away sectorでは北半球のX Towardsectorでは南半球のポーラー・レインフラックスが上昇する。2.ポーラー・レインフラックスの変動と太陽風密度との関係はあまり顕著ではない。このことは、通常の太陽風粒子とは異なる、粒子群がポーラー・レインフラックスの増減に関与している可能性がある。以上の研究結果から、ポーラー・レインの粒子は、惑星間磁場に沿った、ピッチ角を持つ特殊な粒子群が関係しており、それらの粒子が、地球から夜側にのびる磁力線と再結合を行ない、地上に入射してくるものと思われる。
次世代光デバイスに向けた3次元自己組織化量子ドット超格子に関する研究

半導体量子ドットは、キャリアをナノメートル領域に3次元的に閉じ込めることができ、巨大な光非線形性を利用して種々の光デバイスの性能向上が期待できる。本研究では、GaAs基板上InAs自己組織化量子ドットを用いた光デバイスへの応用を目指し、中間層にGaNAs材料を用いた歪み補償法による量子ドットの高密度化(多重積層化)技術の開発を行っている。しかし、GaNAs結晶は窒素が局在化しやすく均質な結晶の作製が困難な材料である。そこで、従来のAs_4分子線に替え、As_2分子線を用いることによって結晶品質が改善されることを明らかにし、また異なるAs分子線種がGaNAs上InAs量子ドットに与える影響について調べたところ、その形成過程に大きな違いがあることを明らかにしてきた。本年度は、以上の結果を基にGaAs基板上InAs/GaNAs多重積層量子ドットの成長条件最適化を行い、As_2分子線を用いて試料の作製を行った。さらにこれらの積層数を10,30,50層と変化させた量子ドット試料における光学利得の評価を行った。評価法はデバイス構造に依存しない、結晶そのものの利得を見積もることが可能な、光励起によるVariable Stripe-Length法を用いた。その結果、層数が増加するとともに光学利得はほぼ線形的に増大した。測定条件としては、励起強度密度が比較的小さく、通常のデバイス動作時の電流注入量に比べ少ないキャリア注入ではあるが、無積層のGaAs上InAs量子ドットの光学利得係数よりも大きな値が得られる結果となった。これは高品質な量子ドットの多重積層化ができている結果であり、また歪み補償技術を用いることで、GaAs基板上IriAs/GaNAs量子ドットの光学利得特性はさらなる増大が可能であることを示している。以上より、歪み補償法を用いた多重積層量子ドットは高利得材料として期待される。今後はInAs/GaNAs材料系においてデバイスプロセス工程の最適化が課題となる。本研究では、GaAs基板上InAs自己組織化量子ドットを用いた光デバイスへの応用を目指し、中間層にGaNAs材料を用いた歪み補償法による量子ドットの高密度化技術の開発を行っている。そこで、従来のAs_4分子線に替え、As_2分子線を用いることによって結晶品質が改善されることを明らかにしてきた。本年度はさらに、異なるAs分子線種がGaNAs上InAs量子ドットの形成過程に与える影響について調べたところ、大きな違いがあることが明らかになった。As_2試料では量子ドット形成初期から高密度でmono-modalなサイズ分布を示し、サイズ均一性を保ちながら量子ドットのサイズ飽和を迎える。一方As_4試料では、量子ドット形成初期において低密度でbimodalなサイズ分布を示し、InAs堆積量が増加するにつれサイズ均一性は向上する。最終的には大きなドットサイズで飽和しmono-modalなサイズ分布になった。さらにすべての量子ドット形成過程において、As_2試料はアスペクト比の高い量子ドットが得られた。上記のように、As_2分子線を用いることによって多重積層構造に最適なInAs堆積量で量子ドットのサイズ均一性を向上させることに成功した。今後はこれらの量子ドットを用いて多重積層を行い、発光波長の制御およびデバイス化を行う予定である。本年度はさらに、それぞれのAs分子線種を用いて中間層膜厚を変えた積層構造を作製し、量子ドットの積層方向の配列性を評価した。上下層の量子ドットがペアになっている割合(量子ドット対の形成割合)の中間層膜厚依存性を調べたところ、中間層膜厚30nm以上の領域で違いが見られた。これは量子ドットの形成過程は歪み場の伝搬のみでなく、表面構造にも大きく影響されやすいためである。As_2分子線下ではGaNAs結晶表面に高密度なステップが形成されることが分かっている。この高密度の核形成が歪み場の伝搬によるペアリング効果より影響が大きくなるためと考えられる。今後はこれまでに最適化した成長条件を用いて歪み補償型多重積層量子ドット構造を作製し、デバイス化および光学評価を行う予定である。

そこで、従来のAs_4分子線に替え、As_2分子線を用いることによって結晶品質が改善されることを明らかにし、また異なるAs分子線種がGaNAs上InAs量子ドットに与える影響について調べたところ、その形成過程に大きな違いがあることを明らかにしてきた。本年度は、以上の結果を基にGaAs基板上InAs/GaNAs多重積層量子ドットの成長条件最適化を行い、As_2分子線を用いて試料の作製を行った。さらにこれらの積層数を10,30,50層と変化させた量子ドット試料における光学利得の評価を行った。評価法はデバイス構造に依存しない、結晶そのものの利得を見積もることが可能な、光励起によるVariable Stripe-Length法を用いた。その結果、層数が増加するとともに光学利得はほぼ線形的に増大した。測定条件としては、励起強度密度が比較的小さく、通常のデバイス動作時の電流注入量に比べ少ないキャリア注入ではあるが、無積層のGaAs上InAs量子ドットの光学利得係数よりも大きな値が得られる結果となった。これは高品質な量子ドットの多重積層化ができている結果であり、また歪み補償技術を用いることで、GaAs基板上IriAs/GaNAs量子ドットの光学利得特性はさらなる増大が可能であることを示している。以上より、歪み補償法を用いた多重積層量子ドットは高利得材料として期待される。今後はInAs/GaNAs材料系においてデバイスプロセス工程の最適化が課題となる。