Около 2000 лет назад было замечено, что возделывание бобовых культур возвращает плодородие истощенной почве. Это особое свойство бобовых связывали со своеобразными образованиями у них на корнях (в виде узелков, клубеньков), но объяснить не могли. Много различных предположений было высказано учеными, много кропотливых, но неудачных опытов было предпринято для выяснения этой загадки.

В 1838 г. французский химик Буссенго заметил, что в урожае культур, посеянных после бобовых, накапливается значительно больше азота, чем после злаков. Но объяснения этому явлению он не дал. В 1840 г. знаменитый тогда немецкий химик Либих выступил с отрицанием фактов, установленных Буссенго. Да и сам Буссенго в своих последующих опытах (1851-1853 гг.), выращивая бобы и люпин на прокаленном песке, не получил никакого увеличения содержания азота в урожае посеянных после них растений (в результате прокаливания песка в нем были убиты клубеньковые бактерии).

Однако через несколько лет английские ученые Лоуз и Джилберт подтвердили результаты первых опытов Буссенго. Русский ботаник М. С. Воронин, которому были хорошо известны обширные и тщательные опыты Буссенго, решил узнать, откуда все-таки растения гороха получают азот. Он начал исследования с анализа песка на содержание в нем азота до посева гороха. Обнаружив очень незначительное количество этого элемента, ученый пришел к выводу, что растения гороха для своего питания используют свободный азот атмосферы. Теперь требовалось изучить подробно строение клубеньков на корнях бобовых растений и проследить, какова зависимость между процессом их образования и усвоением азота бобовыми растениями.

Тысячи срезов просмотрел ученый под микроскопом, изучая ткань корневой системы бобовых в разном возрасте. Обнаружилось, что клетки ткани клубеньков резко отличаются от клеток ткани корня, на котором они образуются. В клетках ткани клубеньков содержится несметное количество палочковидных телец, клетка как бы начинена этими тельцами. Оказалось также, что тельца обладают самостоятельным движением. М. С. Воронин отнес их к живым организмам микроскопически малых размеров. Причем под микроскопом были видны не только клетки палочковидной формы, но и сильно раздутые клетки, начинающие ветвиться.

Ученый делает смелый для того времени вывод о том, что клубеньки на корнях бобовых растений образуются в результате деятельности бактерий, которые проникают в клетки корня. Он высказывает предположение о существовании связи между усиленным делением клеток ткани корня и реакцией растения на внедрение в клетки бактерий. Таким образом, открытие клубеньковых бактерий принадлежит М. С. Воронину и относится к 1866 г.

Понадобилось по крайней мере 20 лет напряженных изысканий, прежде чем удалось бесспорно доказать, что бактерии в клубеньках бобового растения находятся не случайно, а выполняют там важную функцию — связывают азот атмосферы. Эти доказательства были получены только в 1888 г. уже другими учеными в опытах с бобовыми и не бобовыми растениями. В этих опытах выяснилось, что в урожае овса количество азота всегда бывает несколько меньшим, чем внесено в песок вегетационного сосуда, а в урожае гороха, наоборот, его всегда оказывается больше, чем внесено в сосуд.

Далее было замечено, что на корнях бобовых, выращенных на нестерильной почве, можно обнаружить клубеньки, а на корнях бобовых, выращенных на стерильной почве, клубеньки отсутствуют, и такие растения не способны усваивать азот атмосферы. Эти данные в полной мере подтвердили правильность мнения М. С. Воронина, что причиной образования клубеньков действительно являются клубеньковые бактерии, вступающие в тесное сожительство с растениями.

Впоследствии голландским ученым Бейеринком (1888 г.) были выделены в чистую культуру бактерии, вызывающие образование клубеньков, изучены их свойства, проверена их способность при искусственном заражении вызывать на корнях бобовых растений образование клубеньков. По этому свойству они и получили название клубеньковых бактерий. В дальнейшем потребовалось провести еще очень много исследований, чтобы окончательно доказать роль бобовых культур и живущих в симбиозе с ними бактерий в фиксации газообразного азота атмосферы. Учеными разных стран была раскрыта природа и детально изучены свойства этих замечательных существ.