緑藻
上記のように緑藻の分類およびその系統仮説は基本的にその体制に基づいて考えられていた。しかし1960年代から、電子顕微鏡を用いた微細構造学特徴 (鞭毛装置や細胞分裂様式) が緑藻の系統関係推定に用いられるようになった。その結果、伝統的な分類体系は緑藻の系統関係を反映したものではないと考えられるようになり、1980年代にはこのような微細構造学的特徴に基づく分類体系が受け入れられるようになった。このような分類体系では、緑藻の中に2つの大きな系統群 (緑藻植物とストレプト植物) が認識されるようになった。緑藻植物にはクラミドモナスやイカダモ、クロレラ、アオサなどが含まれ、狭義の緑藻綱、アオサ藻綱、プレウラストルム藻綱 (現在のトレボウクシア藻綱) に分けられた。ストレプト植物は陸上植物とともに、接合藻やコレオケーテ、シャジクモ類などが含まれると考えられるようになった。これら陸上植物に近縁な緑藻は広義のシャジクモ藻綱にまとめられていた。またこれら2つの系統群が分岐する頃の初期分岐群として、プラシノ藻と総称される緑藻の一群が認識されるようになり、プラシノ藻綱 (またはミクロモナス藻綱) としてまとめられるようになった。
1990年代以降の分子系統学的研究も基本的に微細構造学的特徴に基づく上記のような分類体系を支持しており (下図)、またさらに詳細な分類体系の改訂が進んでいる (下表)。上記の広義のシャジクモ藻綱やプラシノ藻綱が側系統群であることは当初から認識されていたが、分子系統学研究からもその非単系統性が確かめられた。分類体系から非単系統群を排除することが一般的になったため、2020年現在では、広義のシャジクモ藻綱やプラシノ藻綱は複数の綱に分けられるようになった。
緑藻の中には、栄養細胞が鞭毛をもち遊泳するものがいる。その多くは単細胞性 (unicellular) であり、クラミドモナス属 (Chlamydomonas;下図1a) やドゥナリエラ属 (Dunaliella)、ヘマトコックス属 (Haematococcus;下図1b) など緑藻綱オオヒゲマワリ目に属するものが多いが、プラシノ藻と総称される緑色植物の初期分岐群の中にも、ミクロモナス属 (Micromonas) やネフロセルミス属 (Nephroselmis)、テトラセルミス属 (Tetraselmis) など例が少なくない。ストレプト植物 (陸上植物につながる系統群) の中では、唯一メソスティグマ属 (Mesostigma) が単細胞鞭毛性である。
オオヒゲマワリ目の中には、ゴニウム属 (Gonium;下図1c)、パンドリナ属 (Pandorina)、オオヒゲマワリ属 (ボルボックス属;Volvox;下図1d) など群体性 (colonial) である種も含まれる。これらの"群体"は個体としての統一性をもち細胞分化を示すため、"多細胞体" として扱われることも多い。またアオサ藻綱のウミイカダモ属 (Oltmannsiellopsis) の中にも、鞭毛性の単純な群体を形成する種がいる。
クロロフィル a と b をもち、またジビニルプロトクロロフィリド (MgDVP) をもつものもいる。カロテノイドとしては基本的にルテイン、ゼアキサンチン、ビオラキサンチン、ネオキサンチン、β-カロテンをもつが、ロロキサンチンやα-カロテンをもつものもおり、さらに一部の種はプラシノキサンチンやシフォナキサンチンなど特異なカロテノイドをもつ。ピコキスティス属 (ピコキスティス藻綱) は極めて特異なカロテノイドをもち、モナドキサンチン、アロキサンチン、ディアトキサンチンなどは緑色植物の中でこの藻類だけから報告されている。また一部の緑藻は、強光防御用のカロテノイドを大量に蓄積して赤くなる (下図)。このような緑藻は、浅水域や陸上域に生育しているものが多い。
緑藻の中には、光合成能を二次的に失ったものがわずかに知られている。このような緑藻はふつう細胞小器官としての色素体は残している (白色体)。例として、ポリトマ属 (Polytoma; 緑藻綱) や プロトテカ属 (Prototheca; トレボウクシア藻綱) がある。これらの緑藻は菌類のように吸収栄養性 (細胞膜を通して有機物を吸収する) であり、多くは自由生活性であるが (酵母として分類されていたものもある)、寄生性の種も知られている。
緑藻の中には、少なくとも生活環の一時期に鞭毛をもつものが少なくないが、接合藻のように鞭毛細胞を失ったと考えられている例も多い。鞭毛細胞はふつう等長・等運動性の鞭毛をもつ (等鞭毛性 isokont) が、長さ・運動が異なる鞭毛を前後に伸ばしている種もいる (プラシノ藻の一部)。鞭毛数は2または4本のものが多いが、それ以上のものもおり (プラシノ藻の一部、アオサ藻綱ハネモ目、緑藻綱サヤミドロ目)、また鞭毛を1本のみもつものもいる (プラシノ藻の一部)。
緑藻の中で、ストレプト植物に属するもの (クレブソルミディウム藻綱、コレオケーテ藻綱、シャジクモ綱など) の鞭毛細胞は、ふつう細胞亜頂端から2本の鞭毛が平行に伸びている。鞭毛装置では微小管性鞭毛根の1つが発達し、多層構造体 (multilayred structure, MLS) を形成している。一方、緑藻植物に属する緑藻の鞭毛細胞は、細胞頂端から対向して伸びる2または4本の鞭毛をもつものが多く (トレボウクシア藻綱、アオサ藻綱、緑藻綱)、鞭毛装置は回転対称の交叉型である。プラシノ藻と総称される緑色植物の初期分岐群では鞭毛細胞の形態や鞭毛装置は多様である。ストレプト植物の鞭毛細胞では、メソスティグマ藻綱以外は眼点を欠くが、緑藻植物では鞭毛細胞の色素体中に眼点をもつ例が多い。また緑藻を含む緑色植物の鞭毛移行部には、星状構造 (stellate structure) とよばれる特異な構造が存在する (図7)。