根粒
マメ科植物は根粒によって窒素固定を行うため、自らに必要な窒素栄養分を作り出すともに、土壌に窒素栄養分を供給することも可能である。その機構は不明だったものの、マメ科作物を栽培することで耕作地の地力を回復することは古くから中国で行われていた。また18世紀イングランドで普及したノーフォーク農法では、マメ科のクローバーを輪作に組み込むことによって地力低下を防いでいた。その後1888年、マルティヌス・ベイエリンクによって根粒に共生する根粒菌が窒素固定を行うことが発見された。現代の農業では窒素栄養分の供給は主に化学肥料に依存しているが、湖沼の富栄養化など環境問題を引き起こしており、根粒をもつマメ科植物を利用した環境負荷の少ない農業が注目されている。
マメ科植物の多くは、根粒菌と共生して根粒を形成する。ただしマメ科の中には、根粒形成能を欠く系統も存在する(特に初期分岐群)。また熱帯雨林では、マメ科植物の44%が窒素固定を行わない例が報告されている。
根粒菌は、プロテオバクテリア門のアルファプロテオバクテリア綱とベータプロテオバクテリア綱に属する系統的にはひとまとまりではないさまざまな属が知られている(表1)。これら2つの綱の根粒菌は、α-根粒菌(α-rhizobia)、β-根粒菌(β-rhizobia)とよばれることがある。根粒形成に関わる遺伝子群の水平伝播によって、系統的に遠縁な細菌が根粒菌となったと考えられている。
宿主植物と根粒菌の種特異性は一般的には極めて高いが、複数種の根粒菌と共生する植物種もある。特異性が低い植物種は、特異性が高いものにくらべて新たな環境に侵入しやすいとされる。
宿主植物と共生細菌の関係は必ずしも単縦な相利共生とは限らない。窒素固定を行わない細菌が根粒を形成することもある。植物は感染する細菌を積極的に選別することはできないが、非効率的な共生菌に対する制裁や、より良い共生菌に投資を増やすなどの感染後制御を行う例が知られている。また根粒菌の共生は、菌根共生や内生菌など他の共生微生物とも関わっている。