根瘤菌（rhizobium, Rh）是一类革兰氏阴性细菌，广泛分布于土壤中，能够与豆科植物共生结瘤固氮，将大气中分子态氮转化为供宿主植物吸收利用，进而促进植株生长发育。根瘤在形成过程中也会因宿主植物的不同而产生不同的类型，如与大豆、百脉根形成有限型根瘤；与苜蓿、豌豆形成无限型根瘤两种类型。豆科植物根瘤是天然高效、“节能环保”的固氮工厂，占生物固氮的70%，可满足豆科植株50-80%，甚至100%的氮元素需求。近些年，美国及亚马逊流域的多个国家都开始普及根瘤菌剂接种大豆，有效的减少了工业氮肥在农业生产上的使用。为提高根瘤菌接种效率，美国、巴西、阿根廷等国，大豆根瘤菌接种面积达到50%-100%;在巴西与阿根廷，种植大豆仅接种根瘤菌，不施或仅施用不足10%的化肥，也实现大豆的高产稳产，实现了节本增效。然而，目前根瘤菌剂在我国的使用面积占比较低，没有充分利用好大豆可以依靠共生固氮获取氮源的特性，大部分地区还是在施用工业氮肥。
共生固氮体系的形成由多方面因素共同调节，植物在根瘤菌刺激下产生类黄酮物质激活结瘤基因nod，根瘤菌内部会产生根瘤菌粘附素及胞外多糖等物质，在这一系列物质共同作用下使其附着于根部。其中根瘤菌胞外多糖（Rhizobial exopolysaccharides，REPS）是根瘤菌属在生长过程中分泌的多糖物质，可以减弱或规避根瘤菌寄生宿主时遇到的防御反应，或在共生过程中诱导菌体和宿主合成水解酶，引起宿主胞壁结构变化从而减弱宿主植物的防御反应，促进根瘤菌成功侵入宿主植物，且研究发现其在共生固氮中也具有重要作用。胞外多糖是根瘤菌与宿主植物相互作用时的信号分子，在结瘤因子的协助下进入根毛，诱导其细胞膜生长形成侵染线，进入植物皮层组织分化形成根瘤，并且根瘤菌的竞争结瘤能力与胞外多糖也具有有一定关系。
图1根瘤菌EPS转运系统的模型（Acosta-Juradoet al.2021）
为了有效增加根瘤菌胞外多糖的发酵产量，提升根瘤菌的定殖和寄生效果，已有多项针对胞外多糖产量的研究报道。刘咏梅等（2021）研究发现，以提高胞外多糖产量为目的，优化放射根瘤菌（Rhizobiumradiobacter CFCC2272）发酵产多糖的培养基。通过考察不同碳源、氮源对该菌胞外多糖产量的影响。实验研究表明，最优碳源为蔗糖，其次为葡萄糖，最优氮源为磷酸氢二氨。也有研究表明，添加硼可以促进根瘤菌胞外多糖的合成，同时增强根瘤菌的侵染能力，提高根瘤菌在苜蓿各组织中的定殖数量，缺硼会导致糖脂和多糖减少，膜厚度降低，减弱根瘤菌的固氮能力。根瘤菌与宿主间能否成功共生主要取决于其对宿主防御反应的阻碍或抵御的能力。陈永岗等（2021）以苜蓿根瘤菌12531f菌株为研究材料，筛选得到适宜硼浓度为1 mg/L，较优化前胞外多糖含量提高了56.97%。贾玉香等（2019）通过单因素实验、Plackett-Burman实验和BoxBehnken实验，得到优化的培养基配方为麦芽糖22.5g/L，大豆蛋白胨9.5 g/L，MgSO4·7H2O 0.2 g/L，KH2PO40.41 g/L，NaCl 0.1g/L，在此条件下，最高胞外多糖产量5.05 g/L。
图2不同碳源、氮源对根瘤菌（CFCC2272）胞外多糖产量影响（刘咏梅等，2021）
除此之外，影响根瘤菌定殖和共生效果的因素还包括环境因素、根瘤菌和宿主特性、土著菌的竞争、接种技术等。同样，针对以上问题也提出了诸多解决方法，如增大接种量、从土著菌中筛选高效根瘤菌、与其它促生菌双接种、添加外源根系分泌物诱导等。这些方法的实施无非都依赖于根瘤菌的有效发酵和高效制剂的生产。因此，筛选优良根瘤菌菌种，提高根瘤菌的发酵制备工艺，增加单位活菌量是保障根瘤菌制剂发挥功效，提升我国大豆根瘤孤单效率，减少氮肥使用的重要途径。