谁都知道，要想使庄稼获得丰产，重要的条件就是要有足够的肥料。说起肥料，自然离不开各种各样的化肥，例如常见的硫酸铵、尿素、碳酸氢铵，还有人畜粪尿和绿肥。
令人感到奇怪的是，在贫瘠的土地上，普通的庄稼长不好，可是豆科植物却能在不施肥料的情况下长势良好，这是为什么呢？秘密就在豆科植物的根部。
如果你仔细观察豆科植物的根部，就会发现那儿有许多圆鼓鼓的小疙瘩，它们好像一个个小瘤子，因此被科学家称为“根瘤”。根瘤看上去很普通，把它挤破后，里面会流出一些带腥臭味的“红水”。但是，这种“红水”并不寻常，把它放到显微镜下观察，在红红的汁液中可以看见许多微小的生命在活动，有的像小木棍，有的像小圆球，这些小家伙们就是大名鼎鼎的根瘤菌。
我们知道，在空气中含有大量的氮，它是植物生长中不可缺少的重要营养元素。但是，空气中的氮都处于游离状态，无法被植物直接吸收，只有把空气中游离的分子氮变为氮的化合物，才能被植物吸收利用。要做到这一切，就需要固氮微生物帮忙了，而豆科植物的根瘤菌正是其中的重要成员。
很多年来，科学家们一直在探索豆科植物固氮的奥秘，竭尽全力试图解开根瘤菌的固氮之谜，因为这项研究太重要了，如果成功，它将意味着每年能省去数百亿甚至数千亿美元的人造氮肥费用。美国的著名共生学专家威廉·特拉格，经过认真计算后得出惊人的数据：全世界豆科植物每年在土壤中固氮的数量达9000万吨。
对豆科植物固氮本领的研究，可追溯到1838年，法国农业化学家波辛格鲁特首次发现，豆科植物能固定大气中分子状态的氮。1866年，俄国学者沃罗宁又发现豆科植物的根瘤菌中含有微生物，并指出根瘤的形成是微生物侵入植物根部的结果。到了1888年，荷兰科学家别依林克应用分离方法，第一次获得了根瘤菌的纯菌种，此后，人们渐渐揭开了植物固氮之谜的最外面几层帷幕。
科学家们发现，根瘤菌在土壤中单独生存时并不具有固氮作用，只有把豆科植物的种子播到土壤中，待幼根形成后，根系的分泌物吸引根瘤菌，让根瘤菌通过根毛侵入根的内部组织，在那儿进行大量繁殖，使根部膨大形成根瘤，这时，根瘤中的根瘤菌与豆科植物结成了一种特殊的共生关系，根瘤菌才开始发挥固氮作用，供给植物氮素养料。
科学家们还发现，根瘤菌的种类有很多，每种根瘤菌只能在一种或几种植物根部形成根瘤。例如，豌豆根瘤菌只能在豌豆、蚕豆的根部形成根瘤；苜蓿根瘤菌只能在紫花苜蓿、金花菜的根部形成根瘤；豇豆根瘤菌只能在豇豆、绿豆、花生的根部形成根瘤；而紫云英根瘤菌只能在紫云英的根部形成根瘤。
经过许多年的研究探索，科学家们对根瘤菌固氮机制的认识越来越多，但遇到的问题和迷惑之处也同样越来越多。当人们清楚地了解到微生物进入植物根组织，会改变模样成为变形菌之后，摆在科学家面前的主要问题是：变形菌能繁殖吗？它们是如何传宗接代的？它们能接连不断地使根瘤菌完成生命循环吗？
对于这些令人烦恼的问题，科学家们众说纷纭。许多学者认为，在变形菌生存的最后阶段，它们的植物主人便违反共生原则，把它们的共生者消化掉。植物的下一代若要感染上根瘤菌，还得通过土壤里新的细菌繁殖。但也有的学者认为，并非所有的细菌都会变成变形菌，也许有少数不能被消化掉。后来，前苏联科学院院士米舒斯金与他的合作者在研究中发现，变形菌内部会形成小圆细胞——似亲孢子，于是他提出推测：根瘤菌为了使自己免遭绝种，在它的独立生活期内，就是以似亲孢子的形式留在土壤里。
老的争论还在继续不断，新的问题又接踵而来。在研究植物固氮的过程中，一个使科学家们极为关注的问题是，当根瘤菌离开了植物体之后，是否也同样能进行固氮作用。这是一个打破传统观念的想法，因为根据以往的概念，根瘤菌只有与豆科植物结合在一起，才能吸收空气中的氮从事固氮工作。也就是说，根瘤菌虽然一生的大部分时间是在土壤里过着独立生活，如同土壤中的其他微生物一样，也是依靠吸取周围现成的有机物来生存的，但并不能固定空气中的氮。根瘤菌可以这样世世代代生活几十年之久，等待着与合适的植物相遇。一旦遇到了好机会，根瘤菌便欣然告别土壤这一生活环境，进入到植物的根里面，使根部组织增生，变成瘤状。这时候，根瘤菌便获得了新的奇妙特征——固氮本领。
科学家们已经知道，是植物根部根瘤菌中的固氮酶促使根瘤菌产生固氮能力的，但问题是，固氮酶非得要在植物和根瘤菌两者共同的合作下才能产生吗？
科学家们渴望知道它的答案。
20世纪70年代末，乌克兰科学院植物生理研究所的斯塔尔钦科夫以及他的同事，成功地从离体生活的羽扇豆根瘤菌的悬浮培养物中，分离出一种蛋白质。他们经过测定后发现，这种蛋白质具有固氮酶的催化活性。后来他们又经过了一系列的研究，根据蛋白质的分子量、沉降系数和非血红素铁的测定结果，证明这种蛋白质类似于从羽扇豆拟菌体中分离出来的固氮酶。于是斯塔尔钦科夫提出，固氮酶并非一定要在细菌与高等植物(通常为豆科植物)的基因相互作用下，才能在拟菌体中形成，而是可以在细菌体内单独产生，这就意味着离体生活的的根瘤菌也能固氮。
迄今为止，科学家对植物固氮方面的研究在突飞猛进，日趋深入。比如我们已掌握根瘤菌固氮过程的某些重要环节，分离出了固氮酶，甚至还清楚地了解了固氮酶的结构。然而，这些仅仅是理论上的进展；现在，科学家所面临的问题更为艰巨，他们要做的下一步是，怎样使禾本科植物能吸收大气里的氮，或者至少“教会”它们与根瘤菌共生。尽管这些尝试目前尚处于最初的探索阶段，但随着研究工作的不断深入，植物固氮全面进入应用阶段的日子，相信不再遥远。
