原核生物的多樣性研究在宏基因組學和培養獨立方法的推動下經歷了革命性擴展，揭示了大量先前未知的譜系。
細菌系統學的基因組時代
16S rRNA 基因仍是細菌分類的黃金標準（Woese & Fox, 1977），但全基因組比較（ANI, Average Nucleotide Identity; AAI, Average Amino acid Identity）提供更精確的種界定——ANI ~95-96% 對應傳統的 DNA-DNA hybridization 70% 閾值（Goris et al., 2007）。GTDB（Genome Taxonomy Database, Parks et al., 2018）利用 120 個標記基因的系統發育重建了標準化的分類框架，大幅修訂了傳統的門/綱/目劃分。
宏基因組組裝基因組（MAGs, Metagenome-Assembled Genomes）和單細胞基因組（SAGs）大量發現了新的門級譜系。CPR（Candidate Phyla Radiation, Hug et al., 2016, Nature Microbiology）是一個巨大的、主要由超小型共生/寄生細菌組成的輻射群，缺乏多種基本代謝途徑。
Asgard 古菌與真核生物起源
Lokiarchaeota（Spang et al., 2015, Nature）和後續發現的 Asgard 超門（Thorarchaeota, Odinarchaeota, Heimdallarchaeota）在基因組中發現了大量先前認為真核生物特有的基因（ESP, eukaryotic signature proteins）——包括肌動蛋白、ESCRT 複合體和泛素系統的同源物。這強烈支持二域（Two-domain）生命樹：真核生物起源於 Asgard 古菌內部（而非三域系統中與古菌並列）。Imachi et al.（2020, Nature）首次在實驗室培養了 Lokiarchaeum 相關的菌株 Prometheoarchaeum syntrophicum MK-D1，展示了原始的細胞外突起結構，為內共生理論提供了形態學支持。
微生物生態與地球化學循環
微生物驅動全球碳、氮、硫循環。Anammox（厭氧銨氧化）細菌（Strous et al., 1999）在無氧條件下將 NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂，是海洋氮損失的主要途徑（佔 30-50%）。COMAMMOX（完全氨氧化，Daims et al., 2015; van Kessel et al., 2015）打破了硝化作用由兩群微生物分工的傳統觀念。
海洋古菌（Thaumarchaeota）是海洋氨氧化的主要執行者，其豐度可佔中層水域微生物的 20-30%。SAR11（Pelagibacterales）是全球數量最多的自由生活細菌——每毫升海水數十萬個，佔海洋表層異營細菌的 25%（Giovannoni, 2017）。