袁隆平最初对水稻的研究，是从直播试验、密度试验开始的。但这样的试验，只是通过改良栽培或种植方法来增加产量，增产效果很有限。若要从根本上提高产量，他还是认准一条路——必须从改良种子开始。
当时的安江农校科研设备简陋，一台显微镜就是袁隆平的第三只眼，连切片设备都没有。为此，袁隆平练出了徒手切片的独门绝技。想要得到组织结构完整、又薄又透明的切片，这不仅需要下手快准狠，还需要有很强的定力，这是一个充满危险的活儿。袁隆平不知道有多少次切在了自己的手上。
不仅设备简陋，资料也很有限，想要得到国外资源根本不可能。其实，早在1953年，脱氧核糖核酸（DNA）的双螺旋结构就被人发现了。但袁隆平并不了解DNA双螺旋结构遗传密码的详情。
而且，水稻杂交课题是科学禁区，早被前人判了“死刑”。
美国著名遗传学家辛诺特、邓恩和杜布赞斯基合著的《遗传学原理》，是一部生命科学的名著。书中明确指出，水稻、小麦等自花授粉植物，自交无退化现象，杂交无优势现象，即“无优势论”。退一步说，即使水稻、小麦等自花授粉作物具有杂种优势，但也无法利用其优势。这就是说，袁隆平要研究杂交水稻，是向科学的禁律、禁区乃至于大限或极限发起挑战。即使如此，袁隆平也没有改变自己的研究方向。这在当时无疑是农业科学领域的“哥德马赫猜想”。人类在科学上的突破，无不是向一些科学禁区发起挑战。袁隆平愿意做这样的人。
对水稻杂种优势利用的第一个关键，就是培育出水稻雄性不育系。各国科学家从没停止对它的探索。早在1926年，美国科学家琼斯就发现了水稻雄性不育现象。美国、日本等国的科学家先后做着研究试验。
他们主要是把水稻、小麦、玉米等世界主要粮食作物的高秆变矮秆。比如，被称为“中国半矮秆水稻之父”的黄耀祥，在1959年育成了矮秆籼稻品种“广场矮”，开创了一条矮化育种的新途径，这被称为中国稻田里的“第一次绿色革命”。其技术路线主要是通过改良株型，并非科学定义上的杂交水稻。
根据经典遗传学理论，要培育出真正意义或科学定义上的杂交水稻，必须先培育出具有“单一性功能”的母本。一些科学家尝试通过人工去雄来实现。但由于水稻花器小，开花时间短，进行人工去雄杂交，极其困难和烦琐，难以大面积推广。这似乎是水稻的宿命。杂交水稻的密钥到底在哪里呢？袁隆平也在苦苦探索。
由于中国当时还处于相对封闭的状态，当时最主要的方式，也是最直接、最有效的方式，就是系统选育。每当水稻从抽穗到成熟的那段时间，是一年之中最热的时节。从6月下旬到7月上旬，袁隆平除了上课，一天到晚都在稻田里。一手拿着放大镜，一手拿着镊子，去观察和挑选种子。拣穗子大、籽粒饱满的种子。由于开始是自发研究，袁隆平没有助手，偶尔会带上几个有兴趣的学生，大多是一个人独来独往。
每次下田，他就挎着一个水壶，揣着两个馒头作午饭。连草帽也不戴，光着头，在毒日下长时间烤晒。他俯下身子，一穗一穗地寻觅着，连眼皮都不敢眨，生怕一眨眼就把一粒种子给漏过了。那绽开的稻花实在太小，而稻芒又很扎眼，针尖对麦芒，当袁隆平躬身低头挨近稻穗时，一不小心就会被稻芒扎伤眼睛，看不见伤口在哪儿，只看得见一双红肿的眼睛和眼泪。这样枯燥而漫长地寻觅，袁隆平一天一天坚持着。无数次寻觅无功而返，无数次的无功而返也练就了他一双“火眼金睛”。
尼采说过一句话：一切美好的事物都是曲折地接近自己的目标。在1961年7月的一天，袁隆平发现了那株异于平常的水稻。他数了数稻穗，有二百三十多粒种子。他又数了数旁边的一株普通稻穗，只有它的一半多。袁隆平为它取命“鹤立鸡群”。试验证明，“鹤立鸡群”是一株天然杂交稻。这一发现，让他更坚信了自己的探索方向：既然有天然杂交稻存在，必将有培育出“人工杂交稻”的希望。更重要的是，这让袁隆平意识到，是有办法培育一种雄蕊或花粉退化不育的、具有单一性功能的母本，这样就可绕开人工去雄烦琐又费工费时的方式，从而生产出可大面积推广应用的杂交水稻种子。这对于袁隆平来说，是“决定性的思考和抉择”。在接下来的几年里，每到水稻扬花吐穗的季节，稻田里都会出现一个精瘦的身影。
有人说他很幸运。发现天然杂交稻，虽有幸运的成份，但也不尽然。相信见过异型稻株的人，他不是第一个，但他却是第一个找到其本质规律的人。袁隆平的发现，符合他那个众所周知的公式：“知识+汗水+灵感+机遇=成功”。而他尤其看重灵感。
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