人类开始种田以后，慢慢发现：虽然是同一块田地，连续种几年，但收获却一年不如一年，可是如果前一年种的是豆子，不管是绿豆、红豆还是黄豆，接下来那一年的收获反而会增加。虽然不知道到底为什么，但当时的农人记录下这个现象，并迅速传播，可以一年种豆子，一年种小米或小麦，也就是所谓的“轮作”。其实，这其中的原因就是豆子的根上长有一种奇特的根瘤菌，它们就像一座座微型化肥厂。
 　 是谁发现了固氮作用？
　　追根溯源，《战国策》中就提到，六国中的韩国将大豆与冬麦轮作；到了西汉末年的《氾胜之书》，更提到大豆不宜连作，还提到“豆有膏”，说大豆有肥田作用；宋元之间的《农桑要旨》也提到，桑树中间种大豆，“明年增叶二、三分”。第一个记录豆科植物根瘤的人，可能是清代的王筠，他在《说文释例》中提到大豆的根瘤：“细根之上，生豆累累，凶年则虚浮，丰年则坚好。”
　　但真正研究出根瘤菌有固氮作用的，则是1988年德国的农业化学家赫尔曼·海里格与赫尔曼·威尔法斯。他们发现，把豌豆种在烧过的土壤中，如果提供土壤冲出液（内含许多细菌），豌豆就会长出根瘤，且成长茁壮；不提供土壤冲出液的豌豆则会死掉。同一年，荷兰的微生物与植物学家马丁努斯·威廉·拜耶林克也在根瘤中发现根瘤菌。
　　现在我们知道，根瘤菌生活在土壤里，也在豆科植物的根瘤中，但根瘤菌怎么跑到植物的根内，又是怎么长出来的呢？
　　固氮作用需大量能量
　　首先来看看“固氮作用”是什么。固氮作用，是把空气中的氮气转化为氨的过程。氮气是非常稳定的气体，在自然界中，只有闪电的能量够大，可以打开氮气中两个氮原子之间的连结。根瘤菌却有办法将氮原子之间的连结打断，产生氨（阿摩尼亚）。
　　不过，因为需要大量能量，所以固氮反应不能在有氧气状况下进行，因为氧气太活泼，会摧毁负责固氮的酵素。
　　根瘤菌生活在土壤中时，因为土壤中有氧气，所以不进行固氮反应，只有在它们被豆科植物“召唤”后，才会开始进行固氮作用。豆科植物（包括黄豆、绿豆、豌豆等）也不是任何时候都会召唤根瘤菌的，只有在土壤中的氮素不够时，才会开始分泌一些类黄酮化合物，用来召唤根瘤菌。
　　根瘤菌收到类黄酮信号后，会合成一些由碳水化合物构成的结瘤因子，这些结瘤因子被植物根毛上的接收器收到，启动了一连串变化，使根瘤菌紧密贴在根毛细胞上，根毛细胞开始卷曲，而后细胞壁溶解，让根瘤菌可以直接接触植物的细胞膜。
　　接着，根毛细胞内的高基氏体会开始分泌一个个小泡泡，这些小泡泡连接起来就形成感染丝，将根瘤菌导入植物细胞中。
　　这时，根部的皮层细胞也产生了变化。这些皮层细胞开始加速分裂，而根瘤菌也开始感染这些皮层细胞，等到受感染的皮层细胞外围出现一层不透气的外皮与维管束（运输水分与养分的管线），落户在皮层细胞的根瘤菌也变身成完全不同的“类细菌”（失去鞭毛），根瘤就发育完成了。
　  氮储存于豆科植物中
　　由于根瘤不透气，所以根瘤菌可以在里面进行固氮作用。合成的氨则会被根瘤内部的维管束送走，提供给植物，用来合成氨基酸、核酸与碳水化合物。
　　住在根瘤里的根瘤菌则被植物小心供养，与植物组成一个各取所需的小社会。据了解，豆科植物每年抓取超过两千万吨的氮，这些氮都被植物小心储存起来，进而提高农作物产量，改善农产品质量。