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。
現代的分類手段，如DNA堿基組成、DNA同源性、rRNA順反子相似性、蛋白凝膠電泳、數值分類等結果，都證明土壤桿菌與兩屬根瘤菌有一定的親緣關系，也證明將根瘤細菌分為兩屬是符合客觀實際的。rRNA順反子相似性的研究結果證明葉桿菌屬與前3屬有一定關系，所以暫歸屬于根瘤菌科。 [2]
當豆科植物在幼苗期，土壤中的根瘤菌便被其根毛分泌的有機物吸引而聚集在根毛的周圍，并大量繁殖。同時產生一定的分泌物，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，根毛細胞壁發生內陷溶解，隨即根瘤菌由此侵入根毛。 在根毛內，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，根細胞相應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生管，又稱侵入線。根瘤菌順侵入線進入幼根的皮層中。
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。
土壤中根瘤菌的數量受植被、種植歷史、降雨、土壤溫度、pH值等因素影響。在許多農用土壤中，豆科植物、非豆科植物都能促進根瘤菌的生長，豆科植物栽培區土壤中根瘤菌數量非豆科植物栽培區，且根際土壤中根瘤菌的數量較大。
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