根瘤菌細(xì)胞皇桿狀，有鞭毛和莢膜，不生芽孢。革蘭氏染色陰性。在根瘤中生活的菌體呈梨形、棍棒形或“T”“X”“Y”等形狀，這種變形的菌體稱類菌體。每種根瘤菌都只能在一種或幾種豆科生物上形成根瘤，建立共生關(guān)系，表現(xiàn)出各自的專一性。 [3]

根瘤菌侵入寄主根內(nèi)，刺激根部皮層和中柱鞘的某些細(xì)胞，引起這些細(xì)胞的強(qiáng)烈生長(zhǎng)，使根的局部膨大形成根瘤；根瘤菌在根內(nèi)定居，植物供給根瘤菌以礦物養(yǎng)料和能源，根瘤菌固定大氣中游離氮?dú)?，為植物提供氮素養(yǎng)料，兩者在拮抗寄生關(guān)系中處于均衡狀態(tài)而表現(xiàn)共生現(xiàn)象。

這種共生體系具有很強(qiáng)的固氮能力。已知全世界豆科植物近兩萬種。根瘤菌是通過豆科植物根毛、側(cè)根杈口(如花生)或其他部位侵入，形成侵入線，進(jìn)到根的皮層，刺激宿主皮層細(xì)胞分裂，形成根瘤，根瘤菌從侵入線進(jìn)到根瘤細(xì)胞，繼續(xù)繁殖，根瘤中含有根瘤菌的細(xì)胞群構(gòu)成含菌組織。根瘤菌進(jìn)入這些宿主細(xì)胞后被一層膜套包圍，有些菌在膜套內(nèi)能繼續(xù)繁殖，大量增加根瘤內(nèi)的根瘤菌數(shù)，以后停止增殖，成為成熟的類菌體；宿主細(xì)胞與根瘤菌共同合成豆血紅蛋白，分布在膜套內(nèi)外，作為氧的載體，調(diào)節(jié)膜套內(nèi)外的氧量。類菌體執(zhí)行固氮功能，將分子氮還原成NH3，分泌至根瘤細(xì)胞內(nèi)，并合成酰胺類或酰尿類化合物，輸出根瘤，由根的傳導(dǎo)組織運(yùn)輸至宿主地上部分供利用。與宿主的共生關(guān)系是宿主為根瘤菌提供良好的居住環(huán)境、碳源和能源以及其他必需營(yíng)養(yǎng)，而根瘤菌則為宿主提供氮素營(yíng)養(yǎng)。

當(dāng)豆科植物在幼苗期，土壤中的根瘤菌便被其根毛分泌的有機(jī)物吸引而聚集在根毛的周圍，并大量繁殖。同時(shí)產(chǎn)生一定的分泌物，這些分泌物刺激根毛，使其先端卷曲和膨脹，同時(shí)，在根菌瘤分泌的纖維素酶的作用下，根毛細(xì)胞壁發(fā)生內(nèi)陷溶解，隨即根瘤菌由此侵入根毛。 在根毛內(nèi)，根瘤菌分裂滋生，聚集成帶，外面被一層粘液所包，形成為感染絲，并逐漸向根的中軸延伸。同時(shí)，在根瘤菌的刺繳下，根細(xì)胞相應(yīng)地分泌出一種纖維素，包圍于感染絲之外，形成了具有纖維素鞘的內(nèi)生管，又稱侵入線。根瘤菌順侵入線進(jìn)入幼根的皮層中。

雖然空氣成分中約有80%的氮，但一般植物無法直接利用，花生、大豆、苜蓿等豆科植物，通過與根瘤菌的共生固氮作用，才可以把空氣中的分子態(tài)氮轉(zhuǎn)變?yōu)橹参锟梢岳玫陌睉B(tài)氮。在種子發(fā)芽生根后，根瘤菌從根毛入侵根部，在一定條件下，形成具有固氮能力的根瘤，在固氮酶的作用下，根瘤中的類菌體將分子態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮，與此同時(shí)，每個(gè)根瘤就是一座微型氮肥廠，源源不斷地把氮輸送給植株利用。豆科作物周圍的土著根瘤菌數(shù)量很少，難以滿足作物生長(zhǎng)的需要。世界上的豆科作物都需要人工接種根瘤菌劑，根瘤菌劑給農(nóng)作物生產(chǎn)的氮肥不會(huì)有環(huán)境污染，不需長(zhǎng)途運(yùn)輸，使用過程中沒有氮流失，而人工施用化學(xué)氮肥流失率往往大于50%。 當(dāng)豆科作物萌發(fā)并長(zhǎng)出根毛后，根瘤菌受根毛分泌的凝集素的刺激和吸引，大量聚集在根際和根表上。根毛與根瘤菌接觸后，是細(xì)胞壁變軟，發(fā)生根毛卷曲，然后是細(xì)胞壁內(nèi)陷，根瘤菌隨之侵入根毛，直至根的皮層，根瘤菌在皮層大量繁殖并轉(zhuǎn)變?yōu)轭惥w，此時(shí)根部皮層大量增生，形成瘤狀組織，后根部形成根瘤，當(dāng)有效根瘤的剖面呈粉紅色時(shí)，說明根瘤進(jìn)入成熟階段，開始固氮，并向植株提供氮素。人工接種結(jié)瘤固氮性能優(yōu)良的根瘤菌來提高共生固氮效率。

在實(shí)驗(yàn)室里，根瘤菌生長(zhǎng)在一種叫作酵母甘露醇瓊脂的特殊培養(yǎng)基上。根瘤菌主要分為快速生長(zhǎng)的根瘤菌和緩慢生長(zhǎng)的慢生根瘤菌兩個(gè)屬?？焖偕L(zhǎng)的根瘤菌在培養(yǎng)基上一般2~3天內(nèi)明顯生長(zhǎng)，產(chǎn)生酸生長(zhǎng)反應(yīng)，豌豆、蠶豆、苜蓿和鷹嘴豆等分離出的根瘤菌生長(zhǎng)迅速；