Nitơ được nhà khoa học Scotland D.Rutherford phát hiện năm 1772 như là chất khí không duy trì sự hô hấp và sự cháy. Nitơ phân tử chiếm 75,6% khối lượng không khí trong khí quyển với dự trữ 4.1015
tấn. Tuy nhiên, cây không sử dụng trực tiếp được khí này mà chỉ hấp thụ được nitơ ở dạng liên kết (NH4+, NO3-) nhờ các vi khuẩn chuyển hoá thành.
Trong quá trình sinh trưởng, cây cần nhiều hợp chất chứa nitơ: protein, axit nucleic, các hợp chất giàu năng lượng (ATP, ADP, GTP, UTP...) các enzym, coenzym (FAD, NADP, CoA...), các phytohoocmon (auxin, xitokinin...). Tuy nhiên hàm lượng các chất này trong cây thường thiếu hụt. Sự đói nitơ ngày nay càng trở nên trầm trọng khi sự xói mòn, rửa trôi diễn ra ngày một thường xuyên hơn do không bảo vệ được môi trường, trong khi việc cung cấp phân bón nitơ sản xuất công nghiệp còn bị hạn chế rất nhiều.
Một số loài cây nhờ cộng sinh với vi khuẩn có thể sử dụng được một phần nitơ phân tử cho cuộc sống. Hiện nay đã biết được trên 190 loài cây có khả năng cộng sinh với vi khuẩn, phổ biến và quan trọng nhất là vi khuẩn Rhizobium ở rễ cây họ Đậu, vi khuẩn lam ở bèo dâu. Nhờ sự cộng sinh này mà dòng hydro và dòng năng lượng ATP được huy động từ cây chủ với sự có mặt của enzym nitrogenaza của vi khuẩn đã lôi kéo được nitơ từ không trung xuống đất làm thức ăn cho cây.
Dòng hydro
N2 NH3
Dòng ATP
Nitrogenaza là enzym có hai thành phần, thành phần I gồm protein, Fe, Mo, S với khối lượng phân tử 200.000 - 250.000 Da, chứa 2 Mo, 28 - 34Fe, 18 - 24 S làm nhiệm vụ chủ yếu là khử N2, thành phần II gồm protein, Fe, S có khối lượng phân tử thấp hơn: 50.000 - 70.000 Da, chứa 4 Fe, 4 S chủ yếu làm nhiệm vụ cung cấp điện tử. Enzym nitrogenaza là chất xúc tác rất mạnh mẽ, làm giảm năng lượng hoạt hoá của nitơ (225 kcal/mol) để chúng dễ dàng bị phân cắt trong phản ứng khử để tạo NH3.
Leghemoglobin màu hồng có trong nốt sần cây họ đậu, có cấu trúc giống hemoglobin trong máu động vật, có vai trò điều tiết lượng 02 cần thiết cho vi khuẩn và tế bào nốt sần lại vừa đảm bảo điều kiện kỵ khí cho các phản ứng khử xảy ra. Leghemoglobin chỉ sinh ra khi vi khuẩn cộng sinh ở rễ cây họ đậu, do đó khi nuôi tinh khiết Rhizobium sẽ không tạo ra được
leghemoglobin.
Nghiên cứu thành công về gen điều khiển sự cố định nitơ ở vi khuẩn sẽ mở ra triển vọng sử dụng nitơ khí quyển cho toàn bộ giới thực vật.