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。

現(xiàn)代的分類手段，如DNA堿基組成、DNA同源性、rRNA順?lè)醋酉嗨菩?、蛋白凝膠電泳、數(shù)值分類等結(jié)果，都證明土壤桿菌與兩屬根瘤菌有一定的親緣關(guān)系，也證明將根瘤細(xì)菌分為兩屬是符合客觀實(shí)際的。rRNA順?lè)醋酉嗨菩缘难芯拷Y(jié)果證明葉桿菌屬與前3屬有一定關(guān)系，所以暫歸屬于根瘤菌科。 [2]

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(wàn)種。根瘤菌是通過(guò)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。

在皮層內(nèi)，根瘤菌迅速分裂繁殖，皮層細(xì)胞受到根瘤菌侵入的刺繳，也迅速分裂，產(chǎn)生大量的新細(xì)胞。致使皮層出現(xiàn)局部的膨大。這種膨大的部分，包圍著聚生根瘤菌的薄壁組織，從而形成了外向生長(zhǎng)的根瘤。

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。快速生長(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；
慢生根瘤菌在培養(yǎng)基上需要6~8天才能明顯地生長(zhǎng)并產(chǎn)生堿性反應(yīng)，大豆和豇豆根瘤菌生長(zhǎng)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(guò)一種叫作鞭毛的特殊絲狀結(jié)構(gòu)移動(dòng)。
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(shí)，有效瘤體內(nèi)部呈深紅色；內(nèi)部綠色或白色的瘤體是無(wú)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(wú)效和不相容的根瘤菌時(shí)，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(zhǎng)，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。