当你拔起一棵豆类植物时，你会看到它的根上长着很多小瘤子，这些小瘤子名叫根瘤。每一个根瘤都是一个小型“氮肥车间”。

自20世纪后半叶，全球农作物单位面积产量不断增长，除了农作物品种改良的原因外，氮肥的施用起到了重要的作用。然而利用化肥提供的氮源所获得的增产，是以能源消耗和环境污染为代价的。我们知道，大气中氮气含量接近80%，但这种氮气并不能直接被高等植物所利用。自发现豆科植物与根瘤菌共生结瘤固氮现象以来，人类对生物固氮的研究已有120年的历史了，我国也有70年的历史。

1886年，在第59届德国科学家和医生学术讨论会上，德国学者HermannHellriegel首次提出，当大豆生长在缺氮的土壤中时，大豆的根瘤也能使其良好生长，原因是根瘤具有固氮功能。当时把根瘤叫做根生杆菌，现在把它叫做大豆根瘤菌。根瘤菌可以把大气中的氮还原成能被植物吸收利用的氨，宿主在吸收了这些氨之后又能将其转变为含氮有机化合物。通过对根瘤菌进行接种培养后，于1895年获得了具有很强固氮能力的根瘤菌菌种。

根瘤是怎样形成的呢？现在已经知道，生物固氮作用只限于细菌和放线菌；所有不同种类的固氮生物都由共同的固氮基因控制着固氮特性遗传，固氮基因和固氮酶只存在于固氮菌体中；当土壤中种植有豆科植物时，根瘤菌便顺着豆科植物的根毛尖端，进入豆科植物的皮层中，并在皮层中大量繁殖。具有共生固氮特性的高等植物仅仅提供宿主条件，豆科植物供给根瘤菌提供营养物质，而根瘤菌则把空气中的氮素转化成氨，供给豆科植物。通过遗传操作实现了固氮基因在不同种细菌之间相互转移。皮层细胞受到根瘤菌分泌物的刺激，也迅速分裂，把根瘤菌包围在中央，形成一个个小根瘤。根瘤菌为什么能把空气中的氮素转化为NH4+呢？原因是在根瘤的发育过程中，一种具有催化作用的酶，能将空气中游离氮素还原成NH4+态氮。NH4+形成后，即与根细胞内的有机酸结合，形成氨基，再进一步合成蛋白质，供寄主植物生长发育之用。

目前已发现8科25属225种非豆科植物能与Frankia菌共生结瘤固氮，同时还具有耐干旱（如沙棘）、耐盐碱（如木麻黄）、耐酸性（如杨梅）和耐水湿（如赤杨）等特性。杨梅树根部有放线菌共生形成的根瘤，菌丝伸入土壤中的范围和距离比根毛大得多，从而相应增加根部吸收营养部分的表面积与体积比，可显著提高根系营养元素的吸收量。菌根能分泌分解酶，可增加有效磷的供应量。菌根还在根上形成菌鞘，使其他生物难以侵入，可避免病原菌对根系的侵染和危害。菌根对根系的吸水状况也有改善，提高植株的抗旱能力。除了杨梅以外，柑橘、板栗、银杏等树木也有菌根共生现象。

将固氮细菌体内的固氮基因转移到非豆科植物的细胞内，在固氮基因的调控下，非豆科植物的细胞内合成出固氮酶并且固氮，通过这一途径可以使非豆科农作物自行固氮，提高作物产量。20世纪80年代初，科学家们发现了固氮细菌的固氮基因，这些固氮基因多达20多个，它们共同调控着这种细菌的固氮功能。科学家们希望把固氮基因转移到小麦、水稻、玉米等作物上，但是，这样的实验至今还未取得成功。