根瘤菌侵入寄主根內，刺激根部皮層和中柱鞘的某些細胞，引起這些細胞的強烈生長，使根的局部膨大形成根瘤；根瘤菌在根內定居，植物供給根瘤菌以礦物養料和能源，根瘤菌固定大氣中游離氮氣，為植物提供氮素養料，兩者在拮抗寄生關系中處于均衡狀態而表現共生現象。
在皮層內，根瘤菌迅速分裂繁殖，皮層細胞受到根瘤菌侵入的刺繳，也迅速分裂，產生大量的新細胞。致使皮層出現局部的膨大。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的根瘤。
由于有些土壤中沒有與豆科植物共生的根瘤菌，同時不同豆科植物需要與不同類型的根瘤菌共生，因此在農業上采取在播種豆科植物時，將其與根瘤菌制劑攪抖，以便給豆科作物形成根瘤創造條件。據調查，采用該方法播種，可使大豆、花生增產10%以上。
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氮轉變為植物可以利用的氨態氮。在種子發芽生根后，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氮轉化為氨態氮，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，根瘤菌劑給農作物生產的氮肥不會有環境污染，不需長途運輸，使用過程中沒有氮流失，而人工施用化學氮肥流失率往往大于50%。 當豆科作物萌發并長出根毛后，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，是細胞壁變軟，發生根毛卷曲，然后是細胞壁內陷，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變為類菌體，此時根部皮層大量增生，形成瘤狀組織，后根部形成根瘤，當有效根瘤的剖面呈粉紅色時，說明根瘤進入成熟階段，開始固氮，并向植株提供氮素。人工接種結瘤固氮性能優良的根瘤菌來提高共生固氮效率。
并非所有的根瘤菌都能使所有的豆科植物結瘤，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系。當豆科植物和根瘤菌匹配良好時，有效瘤體內部呈深紅色；內部綠色或白色的瘤體是無效的。不同生態系統中存在的根瘤菌種類繁多，而今確定的有15屬130種。當某些新的豆科作物被引入新的地區或當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，是發揮共生固氮作用、減少氮肥用量的可行途徑。
根瘤菌不僅在生物固氮中發揮重要作用，還有助于提高土壤生產力和肥力，為植物生長創造適宜的環境。此外，根瘤菌對不同屬的土壤植物病原真菌如鐮刀菌、根核菌、菌核菌和大孢菌的生長具有明顯的抑制作用，可以降低作物的發病率。
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