У своєму природному середовищі рослини є частиною багатої екосистеми, що включає численні та різноманітні мікроорганізми в ґрунті. Давно виявлено, що деякі з цих мікробів, такі як мікоризні гриби або азотфіксуючі симбіотичні бактерії, відіграють важливу роль у продуктивності рослин, покращуючи мінеральне живлення. Однак повний спектр мікробів, пов'язаних з рослинами, та їхній потенціал для заміни синтетичних сільськогосподарських ресурсів почали розкривати лише нещодавно. Рослини формують структуру мікробіому за допомогою кореневих ексудатів, а також того, що бактерії розвинули різні адаптації для існування в ризосферній ніші.

Мікробна активність має здатність стимулювати ріст рослин. У природних екосистемах більшість поживних речовин, таких як N, P і S, зв'язані в органічних молекулах і тому є мінімально біологічно доступними для рослин. Щоб отримати доступ до цих поживних речовин, рослини залежать від росту ґрунтових мікробів, таких як бактерії та гриби, які володіють метаболічним механізмом для деполімеризації та мінералізації органічних форм N, P і S. Вміст цих мікробних клітин згодом вивільняється через розпад клітин та кругообіг речовин, або через споживання найпростішими організмами. В результаті в ґрунт вивільняються неорганічні форми N, P і S, включаючи іонні форми, такі як амоній, нітрат, фосфат і сульфат, які є найкращими формами поживних речовин для рослин. У природних умовах ці мікробні перетворення поживних речовин є ключовими факторами росту рослин, а іноді можуть бути лімітуючим фактором продуктивності посівів.

Ріст ґрунтових мікроорганізмів зазвичай лімітований наявністю вуглецю, тому велика кількість цукрів, амінокислот та органічних кислот, які рослини виділяють у ризосферу, є цінним джерелом живлення для них. Однак виділення цього лабільного вуглецю не обов'язково сприяє залученню сприятливих мікробів, оскільки патогенні штами також можуть використовувати ці молекули як субстрати для росту. Тому рослини розвинули механізми розпізнавання, які дозволяють відрізняти корисні мікроорганізми від тих, яких потрібно відштовхувати. Саме тоді специфічні молекули, присутні в кореневих ексудатах, сприяють формуванню структури мікробної спільноти. Кореневі ексудати рослин містять компоненти, які використовуються в технологіях підземної хімічної комунікації, такі як флавоноїди, стриголактони або терпеноїди.

Рослини віддають велику кількість вуглецю в ризосферу, яка живить ґрунтові мікроорганізми. Що ж рослини отримують назад? У ґрунтах переважна більшість атомів N, P і S є органічно зв'язаними, тоді як в атмосфері переважна більшість N міститься в молекулі N2. Через різну метаболічну здатність рослин і мікробів ці джерела поживних речовин є мінімально біологічно доступними для рослин, але можуть бути засвоєні різними ґрунтовими мікроорганізмами. Це означає, що процеси азотфіксації та мінералізації поживних речовин, які здійснюються ґрунтовими мікробами, мають вирішальне значення для живлення рослин, оскільки ці реакції метаболізують важкодоступні форми N, P і S, вивільняючи ці елементи для живлення рослин.

За кілька десятиліть у науковій літературі з ґрунтової мікробіології накопичився перелік мікробних метаболічних процесів, які пов'язані з живленням рослин азотом, фосфором і сіркою. У комерційних цілях симбіотична асоціація між бобовими та бактеріями зазвичай використовується, коли польові культури інокулюють штамами азотфіксуючих ризобій, але як можна вдосконалити та оптимізувати це явище для широкого використання в більш сталих сільськогосподарських системах - не тільки для фіксації азоту в бобових культурах, але й для живлення N, P і S в не бобових культурах? Враховуючи, що різні штами бактерій демонструють різні метаболічні можливості, а також величезну кількість даних про геномні послідовності ґрунтових мікробів, однією з можливостей є визначення генів, які кодують метаболічні шляхи для корисного для сільського господарства метаболізму азоту, фосфору та сірки, а також збільшення кількості мікробів, які містять ці специфічні гени, в сільськогосподарських ґрунтах.