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，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。

經(jīng)過70年代和80年代初的研究，根瘤菌科的變化較大，現(xiàn)包括7屬36種，但其中的放射土壤桿菌不能引起植物異常增生。根瘤菌屬和慢生根瘤菌屬 兩屬細(xì)菌都能從豆科植物根毛侵入根內(nèi)形成根瘤，并在根瘤內(nèi)成為分枝的多態(tài)細(xì)胞，稱為類菌體。類菌體在根瘤內(nèi)不生長繁殖，卻能與豆科植物共生固氮，對豆科植物生長有良好作用。這兩屬細(xì)菌的表現(xiàn)性狀極相似，只是根瘤菌屬的細(xì)菌在酵母膏、甘露醇、無機(jī)鹽瓊脂上生長快，3～5天的菌落直徑可達(dá)2～4毫米；在含碳水化合物的培養(yǎng)基上產(chǎn)酸。慢生根瘤菌屬的細(xì)菌卻與之相反，菌落生長甚慢，5～7天其直徑還不足1毫米，在含碳水化合物的培養(yǎng)基上不產(chǎn)酸，反而呈堿性。

根瘤菌屬是于1889年由B．弗蘭克建立的，它包括3種：豌豆根瘤菌、苜蓿根瘤菌和百脈根瘤菌。慢生根瘤菌屬是D．C．喬丹于1982年從根瘤菌屬中分化出來的，屬內(nèi)暫有一種，即曾經(jīng)稱為大豆根瘤菌的大豆慢生根瘤菌。上述兩屬細(xì)菌時常制成細(xì)菌制劑在田間施用，作為作物或牧草增產(chǎn)的一種手段（見固氮微生物）。 土壤桿菌屬 1942年由H．J．康恩建立。其性狀與前述兩屬的根瘤細(xì)菌頗相似，但不能在豆科植物根上形成能共生固氮的根瘤。本屬細(xì)菌能夠通過外傷入侵多種雙子葉植物和裸子植物，致使植物細(xì)胞轉(zhuǎn)化為異常增生的腫瘤細(xì)胞，產(chǎn)生根癌、毛根和桿癭等病狀。土鑲桿菌屬內(nèi)各個種誘發(fā)根癌的能力與其所特有的Ti質(zhì)粒有關(guān)。本屬細(xì)菌為土傳性植物病原菌。葉桿菌屬 1984年D．H．克內(nèi)澤爾發(fā)表的1屬細(xì)菌。其表現(xiàn)性狀與前述3屬相近，特點(diǎn)是在紫金牛科和茜草科中某些熱帶種的葉片上形成共生葉瘤。細(xì)菌在葉瘤內(nèi)也呈多態(tài)，但是否能共生固氮還沒能斷定。共有兩個種：紫金牛葉桿菌和茜草葉桿菌。

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，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，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，每個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)的氮肥不會有環(huán)境污染，不需長途運(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，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的根瘤菌和緩慢生長的慢生根瘤菌兩個屬?？焖偕L的根瘤菌在培養(yǎng)基上一般2~3天內(nèi)明顯生長，產(chǎn)生酸生長反應(yīng)，豌豆、蠶豆、苜蓿和鷹嘴豆等分離出的根瘤菌生長迅速；
慢生根瘤菌在培養(yǎng)基上需要6~8天才能明顯地生長并產(chǎn)生堿性反應(yīng)，大豆和豇豆根瘤菌生長緩慢。實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的根瘤菌在顯微鏡下呈短桿狀。像大多數(shù)生物一樣，它們需要空氣（O2）的供應(yīng)才能生存，可以通過一種叫作鞭毛的特殊絲狀結(jié)構(gòu)移動。
并非所有的根瘤菌都能使所有的豆科植物結(jié)瘤，特定的根瘤菌與特定的豆科植物或豆科植物群形成共生關(guān)系。當(dāng)豆科植物和根瘤菌匹配良好時，有效瘤體內(nèi)部呈深紅色；內(nèi)部綠色或白色的瘤體是無效的。不同生態(tài)系統(tǒng)中存在的根瘤菌種類繁多，而今確定的有15屬130種。當(dāng)某些新的豆科作物被引入新的地區(qū)或當(dāng)土壤中存在無效和不相容的根瘤菌時，需要接種根瘤菌。接種根瘤菌菌株，是發(fā)揮共生固氮作用、減少氮肥用量的可行途徑。
土壤中根瘤菌的數(shù)量受植被、種植歷史、降雨、土壤溫度、pH值等因素影響。在許多農(nóng)用土壤中，豆科植物、非豆科植物都能促進(jìn)根瘤菌的生長，豆科植物栽培區(qū)土壤中根瘤菌數(shù)量非豆科植物栽培區(qū)，且根際土壤中根瘤菌的數(shù)量較大。