如何进行高效严密的实验设计

蒋继平

2011年6月19日

在我发表了[计划性在科研上的重要性]  （http://blog.sciencenet.cn/home.php?）一文后， 有的网友要我进一步谈谈实验设计的具体细节。本文应这样的要求而作， 并本着与同行们交流的心愿， 希望我的经验可以为您提供一点借鉴， 或者从您的评论中我可以学到更优秀的方法和思路， 从而起到互相学习，共同提高的目的。 不过，我要利用这个机会，郑重声明：鉴于我的专业是在生物学方面， 而且是搞实用研究的， 不是理论研究， 所以，要是您是在纯理论或者非生物研究领域的科技人员， 我劝您最好就此打住， 不要继续往下看， 否则的话， 可能会浪费您的宝贵时间。因为浪费是极大的犯罪， 我担当不起这个罪过。

·        总体部署。 在接到研究课题后， 要做的第一件事就是总体部署或者称之为总体规划。 这个部署应当着重分析决定这个课题成败的关键因素。 找到这些关键因子后， 要对各个关键因子进行进一步的分析试验， 以确证这些因子可以通过适当的方法达到试验的要求。拿我自己的经历来作为一个范例。 老板要我建立一种对付青椒茎腐病的温室抗性筛选方法。 他的要求是， 这种方法必须是能够在温室条件下进行可靠的和大量的人工筛选。 接到任务后， 我立即认真地分析了这个课题的关键因子。 这些关键因子是：菌源， 环境， 种质资源和植物的生长期。这是导致植物生病的三要素。 在对现有的实验室的资源进行初步调查后，我发现这三要素是齐备的。所以，我的总体部署是：先在温室种下带有不同抗病基因的四个品种， 每星期种一批， 使种苗具有不同的生长期。与此同时， 在实验室制造菌源， 主要是如何获得大量的具有高度活性的孢子，和掌握获得这些孢子需要的时间。至于环境， 主要是湿度， 这个病是发生在高湿度的环境下的， 因而， 提供高湿度是关键。 根据这个信息，我自己在温室作了一个大型的塑料湿度接种箱。 现在总体部署已经完成。

·        具体设计。 在物质和条件齐备的情况下， 接下来的就是具体的实验设计。 这个设计需要严密的逻辑推理和排列组合的运用。 因为涉及到三个关键因子， 每个因子具有不同的参数， 因而，必须采取科学和认真的态度来对待。 下面是我设计的第一个实验内容。

表一：不同孢子浓度对四种青椒品种的影响。

在接种后大约一个星期左右， 或者在感病品种已经彻底死亡后， 观察记载各个品种在不同孢子浓度下的反应。 找到能够最大限度地区分抗病品种和感病品种的孢子浓度。 然后， 就用这个孢子浓度作为标准浓度。 接下来要继续测试不同苗龄的抗性表现。

表二：四种青椒品种的不同苗龄的抗性表现。

在获得不同苗龄的实验数据后， 经分析得到接种最佳苗龄的结论。 然后就用这个苗龄作为标准苗龄作进一步的实验。 因为这个病害的致病菌的孢子是游动孢子，它们必须在有水的的情况才能充分发挥它们的致病性。 因而，在接种的时候，必须保证苗盆的土壤有足够的饱和水。 所以，被接种的苗盆必须浸泡在水中。可是，浸泡的时间长短会直接影响到病害发生的严重程度。 鉴于这种原因，下一步就是要测定浸泡的时间长度对病害严重程度的影响。

表三： 浸泡长度对病害严重程度的影响。

因为病害的严重程度会随着植物生长的变化而变化， 所以，要建立一个可靠的筛选体系，必须知道在接种后多少时间对抗性进行评估。

表四：接种后的时间对病害严重程度的影响。

·        综合分析。在获得了以上四组数据后， 就进行综合分析，从中找到最佳组合。 根据已经掌握的信息，其最佳组合应当是：用10000/ml 的孢子浓度， 在六叶期苗龄接种，接种后将苗盆置于饱和水的湿度箱中36个小时， 然后搬出湿度箱， 在接种后14天进行病害严重程度的评估， 测定不同品种的抗病性。

以上只是非常简单地说明一个具体实验的设计程序和操作过程， 因此表中没有列出具体的数字。 在完成第一次实验后， 在得到最佳组合后， 一定要重复这个最佳组合的实验， 以证实它是可靠的。 这也是科技界的要求和常识。 在重复实验获得可靠的结果后， 就可应用于大规模的生产程序上了。

简言之， 一个高效的实验设计是环环相扣的。 我上面的例子只是非常简略的说明一下。在实际操作中，我是一步到位。 换句话说， 我几乎是同时进行几个试验，而不是等到一个试验有结果，才进行第二步。生物试验周期较长， 一定要有严密的规划。 其中的细节， 比如说， 4个品种， 至少3个重复， 每个重复至少12株苗，6个不同的孢子浓度，4个不同的苗龄， 5个不同的浸泡期，5个不同的评估期。这就需要从一开始就准备种多少苗。更为重要的是， 要计算好需要多少用于接种的孢子， 这一步是至关重要的。我的前任科学家就是因为不能准时在实验室生产足够的孢子而做不出任何结果。所以，他的课题组已经做了三年了， 毫无进展。 我接手后，只用了三个月的时间就彻底完成了这个课题。

（注： 没有作者的授权， 不得分享和转载）