A cana-de-açúcar (Saccharum spp.) vem sendo cultivada no Brasil para produção de açúcar e agroenergia. Em seu sistema de produção, após um ciclo de 4 a 8 anos, é possível a rotação com plantas de cobertura, antes do seu replantio, para melhoria do solo e geração de renda. Estudou-se a caracterização e produtividade de biomassa de leguminosas (como adubos-verdes) e girassol (Helianthus annuus L.), a ocorrência natural de micorrizas, o teor de açúcar e a produtividade em colmos da cana-de-açúcar IAC 87-3396 e a viabilidade econômica desse sistema com cultivo após as opções de rotação, com quantificação da produtividade durante três cortes consecutivos. O amendoim (Arachis hypogaea L.) cv. IAC-Caiapó, girassol cv. IAC-Uruguai e mucuna-preta (Mucuna aterrimum Piper and Tracy) foram as culturas que apresentaram maior percentagem de colonização por fungos micorrízicos. O girassol foi a planta de cobertura que mais extraiu nutrientes do solo, seguido por amendoim (Arachis hipogaea L.) cv. IAC-Tatu e feijão-mungo (Vigna radiata L. Wilczek). A colonização por fungos micorrízicos mostrou correlação positiva com a altura de plantas de cana no primeiro corte (p = 0,01 e R = 0,52), mas não se correlacionou com a produtividade de colmos ou açúcar. No primeiro corte, o girassol foi a cultura de rotação que ocasionou o maior aumento de produtividade, da ordem de 46% em colmos e de 50% na quantidade de açúcar, em comparação com a testemunha. Com exceção dos amendoins, todas as culturas em rotação aumentaram a renda líquida do sistema na média de três cortes de cana-de-açúcar.