Bakteriene leversaprofyttisk i jorden som frie organismer, men tiltrekkes avrothår på belgplantene. Dette skjer fordi røttene utskiller visse stoffer,flavonoider, som bakteriene reagerer på. Disse stoffene er spesifikke for den enkelte belgplantearten (eller -slekten) og aktiverer derfor bare en bestemt type av belgplantebakterier.

Rothåret krøller seg sammen i spissen og celleveggen åpnes slik at bakteriene kan komme inn, der de formerer seg sterkt. I rothåret dannes et indre rør, infeksjonsrør, som bakteriene følger inn i selve roten. Der stimulerer de rotcellene lokalt til sterk vekst og det dannes tydeligerotknoller. Inne i knollcellene omdannes bakteriene til bakteroider ved at de sveller og ofte endrer form.

Bakteroidene har evne til å binde (fiksere) nitrogengass, N₂, fra luften. De inneholder enzymet nitrogenase som katalysererreduksjonen av nitrogen til ammonium, NH₄⁺. Denne prosessen krever atskillig energi og dessuten reduserende stoffer. Begge deler produseres ved bakteroidenes respirasjon, der substratet (karbohydrater) kommer fra planten.

Nitrogenase er imidlertid meget ømfintlig for oksygen som trengs til respirasjonen. En stor del av oksygenet fjernes ved at det bindes tilleghemoglobin, et rødfarget stoff som er beslektet med blodetshemoglobin. Aktive rotknoller er derfor tydelig lyserøde av farge.

Ammonium utskilles fra bakteroidene til rotcellenescytoplasma der det syntetiseres ulikeaminosyrer ogamider som belgplanten bruker som sin nitrogennæring. Belgplanter er derfor i høy grad uavhengig av vanlige nitrogenkilder (for eksempelnitrat) i jorden. På den annen side vil sterkgjødsling med nitrogen føre til undertrykking av knolldannelse og nitrogenbinding.

Når belgplantene dør, vil plantedelene som ikke høstes, blant annet røttene, bidra med sitt nitrogeninnhold til en økning av jordens nitrogeninnhold. Ved dyrking av for eksempelkløver oglusern kan det per år bindes 100–400 kilo nitrogen per hektar.Vekselbruk mellom belgplanter og andre planter, for eksempelkorn, er derfor meget lønnsomt.

Blant bakteriene er det en høy grad av spesifisitet med hensyn til hvilke slekter av belgplanter som de kan infisere og danne knoller på. I praksisinokuleres en stor del av det belgplantefrøet som sås med riktig stamme avRhizobium-bakterier. Blant annet på grunn av høye omkostninger ved nitrogengjødsling, foregår det en intens forskning med henblikk på en effektivisering av nitrogenbindingen. Man vet at en rekke genetiske faktorer både hosRhizobium og belgplantene kontrollerer infeksjon, knolldannelse, nitrogenbinding og avling. Både overføring av gener innenfor slektenRhizobiumog foredling av belgplanter er aktuelle forskningsområder. Overføring av gener for nitrogenbinding til andre plantegrupper, for eksempel korn, synes derimot å innebære svært store problemer.

• biologiske redoksreaksjoner
• nitrogenfiksering
• nitrogensyklus