大部分放線菌由分枝狀菌絲組成。菌絲大多無隔膜，仍屬單細胞。菌絲的粗細與杆菌相近（1μm左右）。細胞壁含胞壁酸、二氨基庚二酸，不含幾丁質、纖維素。革蘭陽性。
（1）基內菌絲 又稱營養菌絲或初級菌絲體，它匍匐生長在培養基內。主要功能是吸收營養物。一般無隔膜（諾卡菌除外）。直徑0.2～1.2μm，但長度差別很大，短的小於100μm，長的可達600μm以上；有的無色，有的產生色素，呈黃、橙、紅、紫、藍、綠、褐、黑色等。色素有水溶性的，也有脂溶性的。
（2）氣生菌絲 又稱二級菌絲體。它是基內菌絲生長到一定時期，長出培養基外，伸向空間的菌絲。它較基內菌絲粗，直徑1～1.4μm，其長度差別則更懸殊。形狀有直、彎曲、分枝狀。有的有色素，顯微鏡下色澤較深。
（3）孢子絲 又稱繁殖菌絲或產孢絲。當100氣生菌絲生長發育到一定階段，氣生菌絲上分化出的可形成孢子的菌絲。孢子絲的形狀及在氣生菌絲上排列的方式隨種而異。有的直形，有的波浪形或螺旋形。螺旋的數目、疏密程度、旋轉方向等都是種的特征。螺旋的數目通常為5～10轉，也有少至1個多至20個的；旋轉方向多為逆時針，少數是順時針。孢子絲排列方式有的交替著生，有的叢生或輪生。上述特征均為菌種鑒定的依據。
孢子絲生長到一定階段就形成孢子。放線菌形成的孢子有球形，橢圓形，杆形，柱形，瓜子形等。同一孢子絲上分化出的孢子的形狀、大小有時也不一致。所以，不能將其作為區分菌種的唯一依據。
電鏡下可見孢子表麵結構的差異。有的表麵光滑，有的帶小疣、刺、或毛發狀物。孢子表麵結構是鑒定放線菌菌種的依據。
放線菌的孢子常帶色素，呈白、灰、黃、橙黃、紅、藍、綠色等。成熟孢子堆的顏色在一定培養基和培養條件下較穩定。所以，它也是菌種鑒定的重要特征。
放線菌的孢子表麵結構與孢子絲的形態有一定關係。一般孢子絲直形或波浪彎曲狀，這類孢子絲上的孢子表麵光滑；若孢子絲螺旋狀，它形成的孢子表麵則有的光滑，有的帶刺或帶毛；白色、黃色、淡綠、灰黃、淡紫色孢子的表麵一般都是光滑的，粉紅色孢子隻有極少數帶刺，黑色孢子則絕大多數都帶刺和毛發。
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