大部分放线菌由分枝状菌丝组成。菌丝大多无隔膜，仍属单细胞。菌丝的粗细与杆菌相近（1μm左右）。细胞壁含胞壁酸、二氨基庚二酸，不含几丁质、纤维素。革兰阳性。
（1）基内菌丝 又称营养菌丝或初级菌丝体，它匍匐生长在培养基内。主要功能是吸收营养物。一般无隔膜（诺卡菌除外）。直径0.2～1.2μm，但长度差别很大，短的小于100μm，长的可达600μm以上；有的无色，有的产生色素，呈黄、橙、红、紫、蓝、绿、褐、黑色等。色素有水溶性的，也有脂溶性的。
（2）气生菌丝 又称二级菌丝体。它是基内菌丝生长到一定时期，长出培养基外，伸向空间的菌丝。它较基内菌丝粗，直径1～1.4μm，其长度差别则更悬殊。形状有直、弯曲、分枝状。有的有色素，显微镜下色泽较深。
（3）孢子丝 又称繁殖菌丝或产孢丝。当100气生菌丝生长发育到一定阶段，气生菌丝上分化出的可形成孢子的菌丝。孢子丝的形状及在气生菌丝上排列的方式随种而异。有的直形，有的波浪形或螺旋形。螺旋的数目、疏密程度、旋转方向等都是种的特征。螺旋的数目通常为5～10转，也有少至1个多至20个的；旋转方向多为逆时针，少数是顺时针。孢子丝排列方式有的交替着生，有的丛生或轮生。上述特征均为菌种鉴定的依据。
孢子丝生长到一定阶段就形成孢子。放线菌形成的孢子有球形，椭圆形，杆形，柱形，瓜子形等。同一孢子丝上分化出的孢子的形状、大小有时也不一致。所以，不能将其作为区分菌种的唯一依据。
电镜下可见孢子表面结构的差异。有的表面光滑，有的带小疣、刺、或毛发状物。孢子表面结构是鉴定放线菌菌种的依据。
放线菌的孢子常带色素，呈白、灰、黄、橙黄、红、蓝、绿色等。成熟孢子堆的颜色在一定培养基和培养条件下较稳定。所以，它也是菌种鉴定的重要特征。
放线菌的孢子表面结构与孢子丝的形态有一定关系。一般孢子丝直形或波浪弯曲状，这类孢子丝上的孢子表面光滑；若孢子丝螺旋状，它形成的孢子表面则有的光滑，有的带刺或带毛；白色、黄色、淡绿、灰黄、淡紫色孢子的表面一般都是光滑的，粉红色孢子只有极少数带刺，黑色孢子则绝大多数都带刺和毛发。
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