与豆科植物共生，形成根瘤并固定空气中的氮气供植物营养的一类杆状细菌。这种共生体系具有很强的固氮能力。现已知全世界豆科植物近两万种。据统计蝶形花亚科的植物98%以上能形成根瘤固氮；含羞草亚科约90%；云实亚科约28%。

细胞0.5～0.9×1.2～3.0μm，革兰染色阴性，不形成芽孢，周生或极生鞭毛运动，老龄菌体内常含有折光性强的聚β-羟基丁酸颗粒，着色不均匀呈环节状。在不良环境中，菌体常为多形态。在一些豆科植物根瘤中生活的菌体发生明显变化，由长变短，由细变粗，有些一端膨大成梨形、棒槌形、“T”形或“Y”形，这些变形细胞称类菌体，不能再繁殖，但能合成固氮酶，具固氮能力。这些根瘤细胞中也存在不变形的小杆菌，有继续繁殖的能力。另一些豆科植物根瘤中的类菌体，形态无明显变化，能固氮也有繁殖能力。在酵母汁甘露醇琼脂（YMA）平板上，根瘤菌菌落圆形，边缘整齐，因分泌粘质多糖，菌落粘稠，略隆起，无色、白色或乳脂色。根瘤菌有快生和慢生两种类型，快生型根瘤菌在YMA平板上3～5天内菌落直径为2～4mm，其代时为2～4小时。慢生型根瘤菌在YMA平板上5～7天内菌落直径不超过1mm，其代时为6～8小时或更多。也存在生长中间型。

根瘤菌为化能异养菌。快生型根瘤菌利用碳源和能源的范围较广，能利用多种糖；慢生型菌利用碳源和能源的范围较窄，较适合于五碳糖和有机酸盐。均能利用铵盐和硝酸盐作氮源，慢生型菌利用氨基酸的能力比快生型菌强。不同根瘤菌对维生素和生长素的需求各不相同，根瘤菌在好气条件下生长，但必须在低氧分压下方能固氮。适宜生长的pH是6.5～7.5，一般大豆、豇豆的根瘤菌较耐酸，苜蓿根瘤菌较耐碱。生长最适温度25～30℃，但有些根瘤菌能在4℃或42℃生长。

根瘤菌与豆科植物共生有一定专一性。一种豆科植物的根瘤菌除可在同属其他种植物上结瘤外，也有能与其他属、种植物交叉结瘤的。可以相互交叉结瘤的豆科植物属、种归属于一个互接种族。根瘤菌是通过豆科植物根毛、侧根杈口（如花生）或其他部位侵入，形成侵入线，进到根的皮层，刺激宿主皮层细胞分裂，形成根瘤，根瘤菌从侵入线进到根瘤细胞，继续繁殖，根瘤中含有根瘤菌的细胞群构成含菌组织。根瘤菌进入这些宿主细胞后被一层膜套包围，有些菌在膜套内能继续繁殖，大量增加根瘤内的根瘤菌数，以后停止增殖，成为成熟的类菌体；有些根瘤菌在膜套内不再繁殖。与此同时，宿主细胞与根瘤菌共同合成豆血红蛋白，分布在膜套内外，作为氧的载体，调节膜套内外的氧量（见血红蛋白）。类菌体执行固氮功能，将分子氮还原成NH₃，分泌至根瘤细胞内，并合成酰胺类或酰尿类化合物，输出根瘤，由根的传导组织运输至宿主地上部分供利用。根瘤菌与宿主的共生关系是宿主为根瘤菌提供良好的居住环境、碳源和能源以及其他必需营养，而根瘤菌则为宿主提供氮素营养。

从1888年拜叶林克（M.W.Beijerinck）分离出根瘤菌纯培养以来，根瘤菌一直以“互接种族”关系为主要依据进行分类。以互接种族的代表植物属名作为根瘤菌种名加词。随着研究的不断深入，发现根瘤菌的宿主专一性及交叉结瘤的情况远不受过去划分的互接种族所局限。近20年来用数值分类、DNA碱基比、DNA同源性、血清学、细胞化学成分分析等方法对根瘤菌分类进行了广泛研究，建立了一个根据表型和基因型为特征的根瘤菌分类新系统。乔丹（D.C.Jordan）在《伯杰系统细菌学手册》（1984年）中将根瘤菌分为两个属：一为根瘤菌属（Rhizobium）；一为慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium），并与土壤杆菌属（Agrobacterium）及叶瘤杆菌属（Phyllobacterium）构成根瘤菌科（Rhizobiaceae）中的4个属。根瘤菌属为快生型的根瘤菌。包括三个种：①豌豆根瘤菌，内含三个生物型，相当于过去的三个种，即R.trifolii、R.phaseoli及R.leguminosarum；②苜蓿根瘤菌和百脉根根瘤菌。慢生根瘤菌属只以慢生型大豆根瘤菌为这个新命名属的模式种。至于其他慢生型根瘤菌如过去的羽扇豆根瘤菌、豇豆根瘤菌群未给适当的分类地位和种的定名。书写未定名的慢生型根瘤菌时，属名后加种的缩写字母，随后括号中写代表宿主属的学名，如Bradyrhizobiumsp.（Vigna）。1988年在国际系统细菌学杂志上发表了两个根瘤菌新属名：一个是由德莱乌斯（B.Dreyfus）等定名的Azorhizobium，模式种为A.caulinodans。这是一群既在毛萼田菁（Ses-bania rostrata）根上形成瘤，也在其茎上形成瘤的根瘤菌，且在培养基上能自生固氮。另一个新属是由陈文新等定名的中华根瘤菌属（Sinorhizobium），模式种为S.fredii。这是一群从中国土壤和大豆根瘤中分离的快生型根瘤菌，宿主专一性较强，与某些大豆品种共生固氮的能力和慢生型大豆根瘤菌近似或更强，且 它们具有较强的抗盐碱能力（见表）。

根瘤菌种与宿主关系

近年来根瘤菌遗传学研究有不小进展，证明快生型根瘤菌细胞一般含有大质粒1～3个，其大小范围为90×10⁶～250×10⁶，这些质粒携带有不同功能的基因，如结瘤基因、固氮基因、细菌素基因、宿主专一性基因、胞外多糖基因和色素基因等，并证明有些根瘤菌的结瘤、固氮基因只存在于质粒上，有些则同时存在于质粒和染色体上。关于根瘤菌的固氮基因群和结瘤基因群的分布也有了较多了解。

在所有固氮生物中，根瘤菌与豆科植物共生，具最强固氮能力，如苜蓿与根瘤菌共生固氮量为125～335kgN/公顷·年。豆科植物广泛存在于粮食作物、牧草、绿肥、药材、蔬菜、观赏植物及经济林木中，它们在国民经济、人畜蛋白质营养、环境保护及整个氮素生态中均起着重要作用。在栽种粮食作物、种草、种树中尽可能增加豆科种类，新引种豆科植物，接种相应的根瘤菌，可大大提高产量。因此应广泛开发利用根瘤菌资源，促进豆科植物发展，增加生物固氮量。