神秘的深渊区（水深大于6,000米）中蕴藏着独特的微生物群落，它们在全球生物地球化学循环中有着重要的作用。挑战者深渊是地球海洋中最深的区域，因为其无光、高压、低温和寡营养的环境中仍然生存着活跃的生物，被认为是探索深海极端环境下生命演化的重要窗口，所以近年来成为海洋科学的研究热点。挑战者深渊的“V”形地貌使含有重金属和难降解有机物的深海表层沉积物和海底火山喷发物质在深渊底部汇聚。挑战者深渊沉积物中的微生物在难降解有机物循环和重金属解毒方面有哪些特殊机制还缺少相关研究。 本研究从挑战者深渊的斜坡（slope）和底部（bottom-axis）区域共采集了13个沉积物柱状样，再按沉积物深度分层取样后用于宏基因组和宏转录组分析。宏基因组分析显示其中26%的16S rDNA片段是新颖的，表明挑战者深渊沉积物样品中的平均新物种发现率显著高于其它典型海洋生境，且新物种发现率在挑战者深渊中随着水深和沉积物深度增加而增加。本研究获得了一个包含586个宏基因组组装基因组（Metagenome-assembled genomes，MAGs）的数据集，代表了383个新确定的物种水平的操作分类单元。通过分析微生物基因组在各样品中的丰度，我们发现26%的MAGs仅在挑战者深渊底部样本（水深大于10 km）中存在，表明微生物在深渊环境中有独特的生物地理分布格局。通过重建这些基因组的代谢途径，本研究全面地分析了挑战者深渊沉积物中主要原核微生物的核心代谢，发现这些微生物具有对广谱含碳有机物的代谢潜能。同时，其中一些硝化微生物还可能将二氧化碳固定途径与氮循环过程耦合进行自养生活。多组学数据表明砷循环和硒代谢不仅可以帮助这些微生物解毒，还可能生产有机砷等低毒或无毒性的相容性物质作为耐压剂。在深渊底部还发现有高丰度的厌氧氨氧化细菌能通过固碳作用产生有机物，并释放氮气到上层海水，有利于全球海洋的氮平衡。 深渊海沟沉积物中不仅有活跃的原核微生物，还有多样性丰富的病毒存在。但目前对深渊病毒的基因组特点、代谢潜能及其对深部生物地球化学循环的影响仍缺乏详细的研究。本研究从挑战者深渊沉积物的组装宏基因组中预测到1,628个全新的病毒物种。通过和土壤、沉积物和其它海洋环境来源的病毒序列聚类发现，本研究获得的挑战者深渊病毒数据集一共有1,299个属，且其中77%与其它数据库中的病毒相比是新颖的。病毒群落结构分析显示，挑战者深渊斜坡和底部区域的病毒组多样性有显著差异，在深渊底部站位中的病毒群落多样性更高。生物信息学预测表明深渊病毒能感染环境中参与碳和氮循环的关键原核微生物。例如，我们发现挑战者深渊病毒可能会感染氨氧化古菌这类主要的固碳微生物，并可能将它们裂解，释放有机物到沉积物中。挑战者深渊病毒序列中检测到的辅助代谢基因（putative auxiliary metabolic genes, AMGs）表明，病毒可能调节潜在宿主的硫和碳水化合物代谢，以及具有在极端静水压力下维持宿主细胞膜稳定的潜能。本研究的结果阐明了深渊病毒的地区特异性和潜在的代谢功能在维系深渊生态系统中的作用。 本研究的结果拓展了对海沟沉积物中原核微生物和病毒多样性的认识，并发现了挑战者深渊微生物群落具有明显的区域划分特征。本研究首次获得了代表深渊区不同站位沉积物中微生物的多组学数据（宏基因组和宏转录组），阐明了深渊沉积物中细菌，古菌和病毒的群落结构和生态功能。