Design of experiments for germination of vigna radiata徐任飞,金雯,马莹,包璐璐,余贞富
Agenda
• Introduction• Design of experiment• Data analysis• Data analysis after data transformation• Conclusion• Q&A
INTRODUCTION
Background and Objective
• Temperature• Humidity• Air• Moisture• Light condition• Germinating bed• Soak time• Solution strength for soak
Literature ReviewTitle Author Conclusion
三种豆科植物种子荫发特性的研究
廖建良,贺握权,许灿英,尹艳
Temperature: 15 to 20 centigradeIllumination: darkGerminating bed: on or between paper
绿豆的浸泡工艺及其对绿豆种子萌发的影响研究
吴小勇,曾庆孝,田金河,柳明鲜 Soak time: 6 to 10 days
盐胁迫对绿豆种子萌发的影响
张秀玲Solution strength for soak: neutral salt has no effect on germination, while has effect on growing of sprout. Basic salt has effect on both the two.
DESIGN OF EXPERIMENT
Design methodology
• Response variable– Germination percentage
– Where n is the number of germinated seeds– N is the total number
– Germination rate
– Where Dt is the number of days from growing– Gt is the number of seeds germinated at that day
Design methodology
• Input variable
Variable Control level
Low ( -1) High ( 1)Light condition No sunlight
Night and day
alternate
Seed soaking time 1 day 5 day
Culture medium Above napkin Soil surface
Seed soaking solution
400mmol/L NaCl Water
Design methodology
• Noise – Quality of the air
• The same experiment location and time – Quality of the seeds
• The same lot– Temperature
• The same experiment location and time
Design of the experiment
• The 24-1 fractional factorial design– Alias structure– Resolution IV design
Defining relation: I=ABCD[A]->A+BCD
[B]->B+ACD
[C]->D+ABD
[D]->C+ABC
[AB]->AB+CD
[AC]->AC+BD
[AD]->AD+BC
Design of the experiment
• Design matrix
Run
Basic designSeed
soaking solution
( D=ABC)
Light
condition
( A)
Seed
soaking time
( B)
Culture
medium
( C)1 -1 -1 -1 -1
2 1 -1 -1 1
3 -1 1 -1 1
4 1 1 -1 -1
5 -1 -1 1 1
6 1 -1 1 -1
7 -1 1 1 -1
8 1 1 1 1
Experiment implementation
– 8 groups with 30 Vigna radiatas each– Soak the vigna radiatas which need 5 days
soaking on the May, 22 at 23:20– Soak the vigna radiatas which need 1 days
soaking on the May, 26 at 23:20– Plant all of them on the May, 27 at 23:20– Water 2 or 3 times per day to keep culture
medium humid– Check the germination condition at 23:20
each day and record the data– Calculate the germination rate and
percentage
DATA ANALYSIS
Main effects
1-1
100
90
80
701-1
1-1
100
90
80
701-1
光照条件
平均值
浸种时间
培养基类别 浸种溶液
发芽率 主效应图数据平均值
Main effects
1-1
25
20
15
101-1
1-1
25
20
15
101-1
光照条件
平均值
浸种时间
培养基类别 浸种溶液
发芽速率 主效应图数据平均值
Interactions
1-1 1-1100
80
60100
80
60100
80
60
1-1
100
80
601-1
光照条件
浸种时间
培养基类别
浸种溶液
-11
条件光照
-11
时间浸种
-11
类别培养基
-11
溶液浸种
发芽率 交互作用图数据平均值
1-1 1-1
24
16
824
16
824
16
8
1-1
24
16
81-1
光照条件
浸种时间
培养基类别
浸种溶液
-11
条件光照
-11
时间浸种
-11
类别培养基
-11
溶液浸种
发芽速率 交互作用图数据平均值
Factor effects estimation
3020100- 10- 20- 30
99
9590
80706050403020
105
1
效应
百分比
A 光照条件B 浸种时间C 培养基类别D 浸种溶液
因子 名称
不显著显著
效应类型
效应的正态图 Al pha = . 05)(响应为 发芽率,
Lenth PSE = 11. 2463的
302520151050
98
95
908580
706050403020100
绝对效应
百分比
A 光照条件B 浸种时间C 培养基类别D 浸种溶液
因子 名称
不显著显著
效应类型
效应的半正态图 Al pha = . 05)(响应为 发芽率,
Lenth PSE = 11. 2463的AB
B
C
AC
D
AD
A
403020100
项
效应
42. 33A 光照条件B 浸种时间C 培养基类别D 浸种溶液
因子 名称
Pareto 效应的 图 Al pha = . 05)(响应为 发芽率,
Lenth PSE = 11. 2463的
Statistical testing
Model refinement
3210- 1- 2- 3- 4
99
9590
80706050403020
105
1
标准化效应
百分比
不显著显著
效应类型
光照条件
标准化效应的正态图 Al pha = . 05)(响应为 发芽率,
543210
1. 0E+02
99. 98
9895
8580
50
200
绝对标准化效应
百分比
不显著显著
效应类型
光照条件
标准化效应的半正态图 Al pha = . 05)(响应为 发芽率,
光照条件
43210
项
标准化效应
2. 447
Pareto 标准化效应的 图 Al pha = . 05)(响应为 发芽率,
Statistical testing
发芽率 =83.75-14.58*光照条件
Residual analysis
20100-10-20
99
90
50
10
1
残差
百分比
100908070
20
10
0
-10
拟合值
残差
20151050-5-10
4. 8
3. 6
2. 4
1. 2
0. 0
残差
频率
87654321
20
10
0
-10
观测值顺序
残差
正态概率图 与拟合值
直方图 与顺序
发芽率 残差图
Factor effects estimation
50- 5- 10- 15
99
9590
80706050403020
105
1
效应
百分比
A 光照条件B 浸种时间C 培养基类别D 浸种溶液
因子 名称
不显著显著
效应类型
A
效应的正态图 Al pha = . 05)(响应为 发芽速率,
Lenth PSE = 1. 72125的
14121086420
98
95
908580
706050403020100
绝对效应
百分比
A 光照条件B 浸种时间C 培养基类别D 浸种溶液
因子 名称
不显著显著
效应类型
A
效应的半正态图 Al pha = . 05)(响应为 发芽速率,
Lenth PSE = 1. 72125的AC
AB
C
D
AD
B
A
14121086420
项
效应
6. 48A 光照条件B 浸种时间C 培养基类别D 浸种溶液
因子 名称
Pareto 效应的 图 Al pha = . 05)(响应为 发芽速率,
Lenth PSE = 1. 72125的
Statistical testing
Model refinement
420- 2- 4- 6- 8- 10- 12
99
9590
80706050403020
105
1
标准化效应
百分比
不显著显著
效应类型
浸种时间
光照条件
标准化效应的正态图 Al pha = . 05)(响应为 发芽速率,
121086420
1. 0E+02
99. 98
9895
8580
50
200
绝对标准化效应
百分比
不显著显著
效应类型
浸种时间
光照条件
标准化效应的半正态图 Al pha = . 05)(响应为 发芽速率,
浸种时间
光照条件
121086420
项
标准化效应
2. 57
Pareto 标准化效应的 图 Al pha = . 05)(响应为 发芽速率,
Statistical testing
发芽速率 =17.081-6.416*光照条件 -2.189*浸种时间
Residual analysis
3. 01. 50. 0-1. 5-3. 0
99
90
50
10
1
残差
百分比
25201510
1
0
-1
-2
拟合值
残差
10-1-2
3
2
1
0
残差
频率
87654321
1
0
-1
-2
观测值顺序
残差
正态概率图 与拟合值
直方图 与顺序
发芽速率 残差图
The response surface(GP)
• Soaking time has no significant effect and darkness can maximize GP
• No interaction
The response surface(GR)
• One day soaking and darkness can maximize GR
• No interaction
Response optimization
DATA ANALYSIS AFTER DATA TRANSFORMATION
Data Transformation
• Data transformation– Bounded response variable ->
unbounded
Main effects
Main effects
Interactions
Factor effects estimation
Model refinement
Statistical testing
发芽率 (变换 )=3.608-2.681*光照条件 -1.614*浸种时间 +1.307*光照条件 *浸种时间
Residual analysis
Factor effects estimation
Model refinement
Statistical testing
发芽速率 =17.081-6.416*光照条件 -2.189*浸种时间
Residual analysis
The response surface(transformed GP)
• One day soaking and darkness can maximize GP• Interaction effect between soaking time and light
condition.
Response optimization
Conclusion
• Light condition and seed soaking time affect germination percentage and germination rate significantly, while culture medium and seed soaking solution do not have great influence on GP and GR.
• Darkness and one day soaking time promote germination separately. Interaction effect between soaking time and light condition affects germination percentage.
• The best solution is no sunlight and one day soaking time for both maximal GP and GR.
Q&A