原核生物涵蓋生命三域中的 Bacteria 和 Archaea，是地球上代謝多樣性最高、生物量最大的生物類群。現代基因體學和系統發生學重新定義了我們對原核生物演化和功能多樣性的理解。
系統發生學的革命
Carl Woese & George Fox（1977, PNAS）基於 16S rRNA 的分子系統發生分析，將原核生物拆分為 Bacteria 和 Archaea 兩個截然不同的域，推翻了傳統的二界分類。關鍵分子差異包括：
| 特徵 | Bacteria | Archaea |
|---|---|---|
| 膜脂質 | 酯鍵連接的脂肪酸 | 醚鍵連接的異戊二烯鏈 |
| 細胞壁 | 肽聚醣（murein） | 假肽聚醣/S-layer/無 |
| RNA 聚合酶 | 單一型（α₂ββ'σ） | 多次單元型，類似真核 |
| 起始 tRNA | formyl-Met | Met（同真核） |
| 組蛋白 | 無（有 HU/IHF 類似蛋白） | 有古菌組蛋白 |
Eme et al.（2017, Nature Reviews Microbiology）綜述的 Asgard archaea（Lokiarchaeota, Thorarchaeota 等）的發現，為真核生物起源於古菌譜系內部（two-domain tree）提供了強力支持。Zaremba-Niedzwiedzka et al.（2017, Nature）的基因體分析顯示 Asgard 古菌含有大量 eukaryotic signature proteins（ESPs），包括 ESCRT 複合體、ubiquitin 修飾系統和類肌動蛋白，暗示真核細胞的許多「標誌性」特徵在古菌中已有原型。
基因體組學揭示的多樣性
環境宏基因體學（metagenomics）大幅拓展了已知的原核生物多樣性。Hug et al.（2016, Nature Microbiology）構建的「生命之樹」顯示 Candidate Phyla Radiation（CPR）——一群體積極小（< 500 nm）、基因體縮減（< 1 Mbp）、代謝不完整的超小型細菌——佔據了細菌域的巨大分支，但幾乎全部無法培養。Parks et al.（2017, Nature Biotechnology）利用 metagenome-assembled genomes（MAGs）增加了數千個新的候選門級譜系。
CRISPR-Cas 適應性免疫
原核生物的 CRISPR-Cas 系統是對抗噬菌體的適應性免疫機制。Barrangou et al.（2007, Science）在嗜熱鏈球菌中首次實驗性證明 CRISPR 提供序列特異性的抗噬菌體防禦。機制包括三個階段：適應（spacer acquisition from invading DNA）、表達（crRNA biogenesis）和干擾（target cleavage）。Jinek et al.（2012, Science）將 Cas9 工程化為可編程的 RNA 引導核酸酶，催生了 CRISPR-Cas9 基因編輯革命。
水平基因轉移（HGT）與泛基因體（Pangenome）
原核生物的基因體是高度動態的。Tettelin et al.（2005, PNAS）提出「泛基因體」概念：一個物種的完整基因庫由核心基因體（core genome, 所有菌株共有）和附屬基因體（accessory genome, 僅部分菌株持有）組成。例如大腸桿菌不同菌株間可能有 > 3,000 個基因的差異。HGT 通過轉化、轉導、接合和基因島（genomic islands）驅動這種基因體可塑性，對抗藥性擴散具有深刻的公衛意義。
Ochman et al.（2000, Nature）估計某些原核基因體中 HGT 來源的基因佔比高達 17%，嚴重挑戰了以「樹」作為原核演化唯一比喻的適當性——「網」（web of life）可能是更準確的描述。
代謝工程與合成生物學應用
原核生物的代謝多樣性為合成生物學和工業生物技術提供了豐富的酵素庫。Nielsen & Keasling（2016, Cell）綜述了利用大腸桿菌和釀酒酵母作為底盤生物（chassis organism）的代謝工程策略。Cameron et al.（2014, Nature Reviews Microbiology）討論了合成基因體學的進展——Venter 團隊（Gibson et al., 2010, Science）成功合成了完整的 Mycoplasma mycoides 基因體並啟動細胞（「Synthia」），展示了從頭設計原核生物的可行性。