1.8.1. Ánh sáng
Ánh sáng là nguồn năng lượng cung cấp cho quá trình quang hợp của vi tảo. Cường độ ánh sáng đóng vai trò quan trọng, nhưng những yêu cầu về thay đổi theo chiều sâu bình nuôi và mật độ nuôi của tảo: ở độ sâu lớn hơn và nồng độ tế bào cao cường độ ánh sáng phải được tăng lên để xâm nhập vào môi trường nuôi cấy. Cường độ ánh sáng quá cao (ví dụ: ánh sáng mặt trời trực tiếp, ánh sáng nhân tạo quá gần) có thể dẫn đến ức chế quá trình quang hợp. Hơn nữa, cần phải tránh trường hợp quá nóng do cả chiếu sáng tự nhiên và nhân tạo. Ánh sáng có thể do tự nhiên cung cấp hoặc được cung cấp bởi các bóng đèn huỳnh quang hoặc trong các quang phổ ánh sáng màu xanh hay màu đỏ, vì đây là những phần hoạt động nhất của phổ ánh sáng để quang hợp. Nhiều loài vi tảo không phát triển tốt dưới điều kiện chiếu sáng không đổi, và do đó một chu kỳ ánh sáng tối (LD) được sử dụng (16:08 tối đa LD, thường là 14:10 hay 12:12) (Taylor & Francis Group, 2006).
Độ dài ngày, cường độ ánh sáng và độ dài bước sóng cảm ứng sự hình thành giao tử, để duy trì hoạt động của giao tử yêu cầu sự hiện diện liên tục của ánh sáng. Ngày ngắn là điều kiện để tạo giao tử đối với một số loài tảo nâu và tảo đỏ. Một số tảo cát palmeriana chỉ bắt đầu sinh sản hữu tính trong điều kiện ngày dài. Ngoài ra, ánh sáng màu xanh cần cho sự hình thành giao tử ở tảo nâu (Dring, 1987; Andersen 2005).
1.8.2. Nhiệt độ
Phần lớn các loài vi tảo thường được nuôi cấy trong khoảng nhiệt độ từ 160C đến 270C. Nhiệt độ thấp hơn 160
C sẽ làm chậm tăng trưởng của vi tảo, nhiệt độ cao hơn 350 C có thể gây chết cho một số loài (Taylor & Francis Group, 2006).
Sự thay đổi nhiệt độ là một trong những yếu tố cảm ứng sự hình thành giao tử. Ở các loài khác nhau có ngưỡng nhiệt độ này khác nhau. Các yêu cầu tăng trưởng ở phạm vi nhiệt độ thấp hơn thường tạo ra giao tử ở các loài tảo nâu (Peters 1987; Andersen 2005).
1.8.3. pH
Khoảng pH đối với hầu hết các loài tảo nuôi cấy là từ 7 đến 9, với phạm vi tối ưu là 8,2-8,7; mặc dù có những loài sống trong môi trường acid. Có thể duy trì độ pH bằng cách làm thoáng khí môi trường nuôi. Trong trường hợp mật độ tảo nuôi cao, việc bổ sung lượng khí carbon dioxide cho phép tăng độ pH, có thể đạt giá trị giới hạn đến pH 9 trong sự phát triển của tảo (Taylor & Francis Group, 2006). Khi nồng độ tế bào trong môi trường nuôi cao, tỷ lệ hấp thụ cacbon vô cơ và cố định vượt quá tỷ lệ cung cấp CO2 từ bầu khí quyển.
Nồng độ CO2 của môi trường sau đó giảm và độ pH tăng. Điều này thường xảy ra ở tổng số tế bào nồng độ carbon trên 0,5 mg/L trong môi trường nước biển. Môi trường nước ngọt có phần nhạy cảm hơn với độ pH tăng vì nồng độ ion bicarbonate và carbonate của chúng thấp hơn môi trường nước biển (Andersen, 2005).
1.8.4. Độ mặn
Tảo biển là rất chịu với những thay đổi về độ mặn. Phần lớn các loài phát triển tốt nhất ở độ mặn mà hơi thấp hơn so với môi trường sống quen thuộc của chúng. Độ mặn 20- 24 g/L được tìm thấy là tối ưu (Taylor & Francis Group, 2006).
1.8.5. Các chất điều hòa tăng trưởng thực vật
Hormon thực vật là một chất hữu cơ do tế bào tạo ra tại nơi nào đó trong cơ thể thực vật và được chuyển tới một nơi khác, ở đó, với nồng độ rất thấp, chất ấy gây ra một phản ứng sinh lý. Các chất điều hòa tăng trưởng thực vật không phải là các chất dinh dưỡng, các vitamin hay những nguyên tố khoáng thiết yếu cho thực vật. Hormon tăng trưởng ở thực vật có 5 nhóm chính là: Auxin, Gibberellin, Cytokinin, Acid Abcisic và Ethylen (Bùi Trang Việt, 2000).
Để tìm hiểu rõ hơn vai trò của phytohormon ở vi tảo, người ta đã tiến hành phân tích, so sánh bộ gen để tìm hiểu sự liên quan trình tự giữa các sinh vật. Kết quả cho thấy có sự tương đồng di truyền giữa Chlamydomonas reinhardtii và thực vật như cây Arabidopsis lyrata (Manuell & Mayfield, 2006).
Auxin là phytohormone phổ biến ở thực vật, có tác dụng chủ yếu là kéo dài tế bào thực vật và cũng được tìm thấy trong tảo (TD Li, Doronina, Ivanova, & Trotsenko, 2007). Sự hiện diện này cho biết rằng đã có auxin ảnh hưởng đến sự phát triển tảo. Những nghiên cứu về phytohormone chỉ ra rằng chúng thể có tiềm năng để tăng tốc độ tăng trưởng của
Chlamydomonas reinhardtii bởi vì chúng được sử dụng để tăng tốc độ tăng trưởng trong các thực vật (Tarakhovskaya, Maslov, & Shishova, 2007).
Trái với nhiều thông tin về trao đổi chất và vận chuyển của IAA trong thực vật, sự trao đổi chất của AIA trong tảo còn ít được biết đến (Sandberg et al., 1990, Ljung et al., 2005).
Cytokinin là phytohormone thực vật có tác dụng kích thích tăng trưởng, thúc đẩy phân chia tế bào. Cấu trúc giống như cytokinin được tìm thấy trong chất chiết xuất từ tảo
xanh và được cho là đóng vai trò tương tự như trong thực vật bậc cao: thúc đẩy sự phân chia tế bào (Tarakhovskaya, Maslov, & Shishova, 2007).
Một số nghiên cứu đã được tiến hành trên sự tương tác giữa các loài tảo khác nhau và hormone thực vật. Có thể thấy rằng gibberellin xử lý trên Charavulgaris dẫn tới sự gia tăng của sợi cũng như của các tiền tinh trùng (Bradely, 1991). Chlorella hoặc Euglena cả hai tổng hợp và sử dụng các phytohormone trong các thời kỳ phát triển của chúng (Evans & Trewavas, 1991).
Trong việc so sánh hệ gen học đã thiết lập một mối quan hệ chặt chẽ của bộ gen
Chlamydomonas reinhardtii với Arabidopsis lyrata, một mô hình thực vật với một bộ gen đầy đủ trình tự. Arabidopsis lyrata có 1879 gia đình protein tương tự với Chlamydomonas reinhardtii (Merchant et al., 2007) (Melis, 2006). Thông tin này cho thấy một mối quan hệ di truyền thân thuộc giữa hai nhóm sinh vật. Các trình tự gen xác định cho protein trong
Arabidopsis lyrata. có thể được sử dụng để tìm kiếm các gen của Chlamydomonas reinhardtii. Trong công việc của Kalanon và McFadden, lạp lục chuyển vị protein khu phức hợp được so sánh giữa các Arabidopsis lyrata. và Chlamydomonas reinhardtii (Kalanon & McFadden, năm 2008). Việc tìm kiếm các protein được tiến hành qua Công cụ Tìm kiếm Protein (BLASTP), thấy có sự phù hợp với trình tự của các axit amin giữa hai sinh vật. Một nghiên cứu khác liên quan đến gen so sánh giữa Chlamydomonas reinhardtii và Arabidopsis lyrata tập trung trên một gen đặc biệt đó mã hóa một thụ cảm ánh sáng xanh (Min Min và Lefebvre, 1995).
Thông qua việc sử dụng các hệ gen học so sánh đã tìm thấy 500 các axit amin đầu tiên của của protein Chlamydomonas reinhardtii là tương đồng với một phần trình tự của
Arabidopsis lyrata. Họ suy luận rằng các gen trong Arabidopsis lyrata cho thụ cảm này là tương tự như các gen được xác định trong Chlamydomonas reinhardtii (Min Min và Lefebvre, 1995).
Vi sinh vật có khả năng sản xuất phytohormones trong đó có các loại vi tảo (Frankenberger và Arshad, 1995). Ví dụ, Barea et. al., (1976) báo cáo rằng trong số 50 vi khuẩn phân lập được từ các vùng rễ của thực vật khác nhau, 86, 58, và 90% sản xuất auxin, giberelin, và các chất giống kinetin. Ngoài ra còn có nhiều bằng chứng cho thấy một loạt các vi tảo và cyanobacteria có thể sản xuất phytohormones, bao gồm auxin, cytokinin, và acid abscisic (Pyne năm 1986, Tarakhovskaya et al., 2007).
Trong thập niên 1960, người ta đã xác định là auxin và các chất tương tự không hoạt động của chúng đã có mặt ở tảo lục (Chlorella và Cladophora) và trong vi khuẩn lam (Oscillatoria) (Schiewer, 1967). Đối với các nghiên cứu đầu tiên, auxin trong tảo thường được xác định bằng sinh trắc nghiệm và không cho kết quả chính xác. Sử dụng các phương pháp hiện đại, sự hiện diện của auxin (IAA nói riêng) trong tảo màu xanh, characean, và tảo nâu (fucus và Ascophylum) đã được chứng minh (Niemann và Dörffling năm 1980, Stirk và van Staden năm 1997, Cooke et.al., năm 2002, Sitnik et.al., 2003). Trong cyanobacterium các Chlorogloea fritschii, một số yếu tố của con đường phụ thuộc vào tryptophan đã được phát hiện, cụ thể là tryptamine (Ahmad và Winter, 1969). Mặt khác, auxin và các dẫn xuất tổng hợp của nó không để kích thích sự tăng trưởng của tảo đơn bào trong nuôi cấy, chẳng hạn như Euglena gracilis và Chlorella sp. (Hanisak năm 1979, Ma et al., 2002).
Các isopentenyladenine cytokinin (mạng IP) đã được quan sát trong Arthronema africanum (Stirk et. al., năm 1999); zeatin, zeatin riboside, và cytokinin thơm, phức hợp topolin, đã được xác định trong vi tảo màu xanh (Protococcus, Chlorella, và Senedesmus) (Schiewer năm 1967, Sitnik et al., năm 2003, Ordog et. al., 2004). Một số cytokinin, như dihydrozeatin và N-glucosides đã không được tìm thấy trong vi tảo, tuy nhiên cytokinin thơm (topolins) đã được quan sát thấy. Người ta cho rằng con đường sinh tổng hợp cytokinin trong vi tảo có khác so với thực vật (Sakakibara, 2006).
Một số báo cáo đã chỉ ra rằng có sự tích tụ của ABA ở vi tảo. ABA đã được phát hiện trong vi tảo màu xanh (Chlorella sp., Dunaliella Salina, và Haematococcus pluvialis) (Tominaga et al., năm 1993; Kobayashi et al., năm 1997; Hiromichi et al., năm 2002, Nimura và Mizuta 2002). Trong một số trường hợp, ABA có tác dụng kích thích sự tổng hợp và tích tụ carotenoid trong tế bào vi tảo (Cowan và Rose 1991, Kobayashi et al., 1997).
Một số hormon ở thực vật bậc cao có vai trò tương tự như ở tảo. Trong dịch chiết của cỏ biển có sự hiện diện của auxin ở loài Ulva pertusa, Undaria pinnatifida, Hizikia fusiforme và cytokinin ở loài Laminari và Fucus,… (Bradley P.M., 1991).
Như vậy, phytohormones đã được chứng minh có ảnh hưởng đến các loại vi tảo. Ngoài ra còn có nhiều bằng chứng cho rằng môi trường nuôi cấy và các chất chiết xuất từ vi tảo có thể có tác dụng kích thích tăng trưởng thực vật (Lie AliaAbetz năm 1980, Featonby- Smith và Van Staden 1984, Metting et al., 1990).