Der Klee mag Bakterien, und bestimmte Bakterien mögen ihn. Knöllchenbakterien (Rhizobien) leben gerne mit Pflanzen aus der Familie der Leguminosen (Hülsenfrüchtler) zusammen. Dazu gehören neben dem Klee wichtige Futterpflanzen wie Sojabohne oder Erbse. Beide Partner profitieren davon, dass es den anderen gibt. Dieses Zusammenleben verschiedener Arten zum gegenseitigen Vorteil heißt Symbiose.

Pflanzen benötigen zum Wachsen Stickstoff, der zwar in der Luft als Gas (N₂) vorhanden ist, den sie aber in der Form nicht nutzen können. Die Knöllchenbakterien wandeln N₂ in Ammoniak (NH₃) bzw. Ammonium (NH₄⁺) um und machen ihn damit den Pflanzen verfügbar. Die Pflanze stellt im Gegenzug Stoffe her, die die Bakterien zum Leben benötigen, beispielsweise bestimmte Zucker. Die Symbiose mit den Rhizobien erlaubt es den Pflanzen, auf stickstoffarmen Böden zu gedeihen.

Die Landwirtschaft nutzt diese Wechselwirkung: Der Anbau von Leguminosen auf landwirtschaftlichen Flächen führt dem Boden Stickstoff zu, der in der folgenden Saison anderen dort angebauten Pflanzen zur Verfügung steht. Diese Symbiose beruht auf einem festgelegten Schema: Beide Partner erkennen sich wechselseitig durch Komponenten auf ihren Oberflächen. Die Rhizobien heften sich an die Wurzelhaare der Pflanze und bewirken, dass diese sich einkrümmen. Daraufhin dringen die Bakterien in die Pflanze ein und bilden einen Schlauch. An dessen Spitze entsteht ein neues Organ, der Bakteroid (siehe Abbildung). Dort arbeitet das Enzym, das den Stickstoff umsetzt. Diese Nitrogenase ist sehr sauerstoffempfindlich. Daher sorgt ein weiteres Enzym, das Leghämoglobin, für eine niedrige Sauerstoffkonzentration. Leghämoglobin ist wie unser damit verwandter Blutfarbstoff Hämoglobin rot gefärbt. Wird der Gehalt an Sauerstoff zu gering, kann das Leghämoglobin diesen auch wieder freigeben. Somit erfüllt es die gleiche Aufgabe wie das Hämoglobin im menschlichen Blut: die Bindung und Freisetzung von Sauerstoff. Allerdings bindet das Leghämoglobin Sauerstoff zehnmal stärker als das Hämoglobin im menschlichen Blut, wodurch im Wurzelknöllchen viel weniger Sauerstoff übrig bleibt.