Khả năng cố định nitơ ở cây bộ Đậu được H. Hellriegel và H. Wilff phát hiện năm 1886, đến năm 1888, M.W. Bejerinckii lần đầu tiên phân lập được vi khuẩn nốt sần từ cây bộ Đậu và năm 1889, B. Frank đặt tên cho chúng là Rhizobium.
Theo Bergey (1974) có 7 loài Rhizobium, chúng thuộc 2 nhóm sau:
* Nhóm 1: có 2 – 6 tiên mao mọc kiểu chu mao, sinh trưởng nhanh trên môi trường có cao nấm men, gồm có 4 loài:
1. Rhizobium leguminosarum: cộng sinh ở cây đậu Hà lan và nhiều loài khác thuộc chi Pisum, Vicia, Lens.
2. Rhizobium phaseoli: cộng sinh ở rễ nhiều loài đậucô ve (Phaseolus). 3. Rhizobium trifolii: cộng sinh ở rễ cây nhiều loài cỏ 3 lá (Trifolum spp.).
4. Rhizobium meliloti: cộng sinh ở rễ nhiều cây phân xanh thuộc các chi Melilotus, Medicago, Trigonella...
* Nhóm 2: có tiên mao mọc ở gần đỉnh, sinh trưởng chậm trên môi trường cao nấm men, gồm có 3 loài:
1. Rhizobium japonicum: cộng sinh trên rễ cây đậu tương. 2. Rhizobium lupini: cộng sinh trên rễ cây Lupin.
3. Rhizobium vigna: cộng sinh trên rễ cây lạc, đậu xanh. Theo Mixustin (1978), vi khuẩn nốt sần gồm có 11 loài:
1. Rhizobium leguminosarum: Cộng sinh trên đậu Hà lan và đậu tằm... 2. Rhizobium phaseoli: cộng sinh ở rễ đậu xanh, đậu đen, đậu côve... 3. Rhizobium trifolii: cộng sinh ở rễ cây chẽ ba.
4. Rhizobium meliloti: cộng sinh ở rễ cây Medicago, cây ngạc ba... 5. Rhizobium japonicum: cộng sinh trên rễ cây đậu tương.
6. Rhizobium lupini: cộng sinh trên rễ cây luy panh. 7. Rhizobium vigna: cộng sinh trên rễ cây lạc. 8. Rhizobium cicer: cộng trên rễ cây đậu mỏ két.
9. Rhizobiumsimplese: cộng sinh trên rễ cây Onobrychis. 10. Rhizobium lotus: cọng sinh trên rễ cây lotus.
11. Rhizobium robinii: cộng sinh trên rễ cây keo.
Năm 1996, vi khuẩn cố định nitơ lại được các nhà khoa học phân thành 4 giống:
1. Sinorhizobium fredy: là những chủng vi sinh vật mọc nhanh, trong hoạt động sống chúng đã làm axit hoá môi trường.
2. Bradyrhizobium: là những chủng vi sinh vật mọc chậm, trong hoạt động sống của chúng đã làm kiếm hoá môi trường.
3. Agrobacterium: là những chủng vi sinh vật có khả năng cố định nitơ nhưng không thuộc cây họ Đậu.
4. Phylobacterium: là những chủng vi sinh vật công sinh trên cây rừng có khả năng cố định nitơ và tạo nốt sần.
Vi khuẩn nốt sần thuộc loại hiếu khí, Gram âm, không sinh bào tử. Có hình dạng thay đổi tuỳ theo từng giai đoạn phát triển và điều kiện sống: khi còn non tế bào hình que, kích thước vào khoảng 0,5 – 0,9 x 1,2 – 3,2 µm, bắt màu đồng đều và có khả năng di động nhờ tiên mao. Khi già vi khuẩn trở nên bất động, nhuộm màu không đều, có khi trở thành dạng hình cầu. Bình thường trong đất vi khuẩn nốt sần có hình que, hình cầu tuỳ theo điều kiện môi trường. Trong nốt sần đến một giai đoạn phát triển nhất định sẽ xuất hiện thể giả khuẩn (bacteroid) có kích thước lớn, thường phân nhánh tạo thành các hình giống chữ X, Y, V.... Thể giả khuẩn chứa nhiều glycogen, volutin và lipoprotein, đây là trạng thái duy nhất có khả năng cố định nitơ của vi khuẩn nốt sần.
Vi khuẩn nốt sần ưa pH trung tính đến hơi kiềm, phạm vi pH thích hợp là 6,5 – 7,5, nhiệt độ thích hợp cho vi khuẩn nốt sần là 24 – 26oC, độ ẩm là 60 – 80%. Vi
khuẩn nốt sần có khả năng sử dụng nhiều nguồn hydratcacbon khác nhau, tuy nhiên chúng không sử dụng được tinh bột và xenluloza. Khi sống cộng sinh trên rễ cây bộ Đậu chúng có khả năng cố định nitơ phân tử nhưng khi sống trong đất hay trên các môi trường nhân tạo chúng sử dụng các hợp chất nitơ hữu cơ và vô cơ có sẵn. Trên môi trường rất nghèo nitơ vi khuẩn nốt sần cũng phát triển được, nhưng trên môi trường có nhiều nitơ dễ tiêu sẽ ức chế sự tạo thành nốt sần và hạn chế khả năng cố định nitơ của chúng.
Người ta phân biệt 2 loại vi khuẩn nốt sần: vi khuẩn nốt sần hữu hiệu và vi khuẩn nốt sần vô hiệu. Nốt sần hữu hiệu thường có sắc tố màu hồng, đó là sắc tố leghemoglobin, sắc tố này có bản chất tương tự như hemoglobin và cũng làm nhiệm vụ vận chuyển O2.
Mỗi một loài vi khuẩn nốt sần chỉ có khả năng xâm nhiễm lên một nhóm cây bộ Đậu nhất định, người ta gọi đó là tính đặc hiệu của vi khuẩn nốt sần, hay còn gọi là tính chuyên hoá của vi khuẩn nốt sần.
Các vi khuẩn nốt sần xâm nhập vào rễ cây bộ Đậu thông qua lông hút hoặc các tế bào bị thương của biểu bì rễ, đặc biệt là ở những chỗ phân nhánh của rễ. Trước hết cây bộ Đậu tiết ra xung quanh rễ những chất có tác dụng kích thích sự phát triển của các vi khuẩn nốt sần tương ứng (đường, axit hữu cơ, vitamin, enzim...), do đó có tác dụng thu hút các vi khuẩn nốt sần đến tập trung gần vùng rễ và xâm nhập vào rễ. Vào trong rễ vi khuẩn nốt sần kích thích tế bào rễ cây phát triển và phân chia mạnh mẽ, từ đó hình thành mô nốt sần, lúc này vi khuẩn chuyển sang trạng thái thể giả khuẩn.