从1964年起，袁隆平在反复论证的基础上，决心运用“三系法”分三步进行杂交水稻优势利用的研究。
“三系”即不育系、保持系和恢复系。
第一步，找到雄性不育的植株，培育出水稻雄性不育系。其特点是雄性退化而雌蕊则是正常的，即通常说的“母禾”。
第二步，再找一种特殊的水稻品种作父本，用它给雄性退化而雌蕊正常的“母禾”授粉，使培育出来的后代，全部保持雄性不育的特性，这就是保持系。有了保持系，不育系才能代代相传并大量繁殖。
第三步，还要找一种稻种和雄性不育系杂交，使杂交的后代恢复生育能力，这叫恢复系。有了恢复系，就可以大量生产杂交种子了。
完成这三步，袁隆平及其团队历经了千辛万苦！
袁隆平提出的通过“三系”来利用水稻杂种优势的设想与当时学术界流行的观点大相径庭。他尚未站稳脚跟，冷言冷语便扑面而来，他既不争，也不辩，矢志不移地搞科学试验。
1964年6月20日，袁隆平走进水稻的莽莽绿海，去寻找从未见过而且没有中外资料报道过的水稻雄性不育株。他手持放大镜，头顶烈日，脚踩污泥，在稻田里逐株逐穗检查，一连找了10多天仍不见水稻雄性不育株的踪影。他不灰心，不丧气，继续找。他的皮肤本来就黑，经烈日连续的烤晒，更是黑上加黑，如针似的稻叶刮得他脸上、手上、脚上发痒发痛，汗水如注，这得有多大的毅力和决心啊！
时间一天天过去，终于在第16天，即1964年7月5日，袁隆平在安江农校实习农场找到了一株奇异的“天然雄性不育”株，这是国内首次发现的一株雄花花药不开裂、性状奇特的植株。袁隆平欣喜若狂。
此后，经过袁隆平和他妻子邓哲苦苦寻找，到1965年7月，又在安江农校附近稻田的南特号、早粳4号等品种中，逐穗检查14000多个稻穗，找到了6株雄性不育的植株。经过两年连续春播和秋发，共有4株繁殖了1—2代。成熟时，分别采收了自然授粉的第一代雄性不育种子。
经过两个春秋的试验，袁隆平对水稻雄性不育有了较多的感性认识，他把两年来获得的科学数据进行分析整理，撰写出第一篇重要论文《水稻的雄性不孕性》，于1966年2月28日刊登在中国科学院主编的《科学通报》半月刊第17卷第4期上。文章不仅详尽地论述了水稻具有雄性不育性，并且就当时发现的材料，将水稻的雄性不育性，区分为无花粉型、花粉败育型、花药退化型等三种不同的类型。同时还进一步预言：通过进一步选育，可以从中获得雄性不育系、保持系和恢复系，并通过三系配套，使利用杂交水稻第一代杂种优势成为可能，实现大面积、大幅度的增产。
论文发表后，立即引起了中外科学界的关注和领导的重视，特别是国家科委九局局长赵石英，征得委党组书记聂荣臻元帅同意后，以国家科委九局的名义致函湖南省科委和安江农校，指出该项研究的意义重大，责成他们支持袁隆平从事这项研究。
“文化大革命”开始后，袁隆平团队试验的秧苗基本被破坏，还好李必湖和尹华奇两个学生，赶在造反派前面藏了4钵秧苗。就靠着这4钵秧苗，袁隆平悄悄带领团队继续试验，到1968年发展到了四分秧田。
可这四分秧田居然还是没逃过造反派的眼睛，又被破坏了。袁隆平在秧田周围狂奔寻找，跑到一口深井旁，发现有5根秧苗漂浮在井水上，便把衣服一脱，“扑通”一声跳下去，把“宝贝”秧苗捞了上来。
一次又一次的打击，没把袁隆平打倒！最关键的时刻，党和人民支持了他。造反派要把他打成现行反革命，一翻他的档案，发现国家科委九局有份公函，要求保护袁隆平这一重大科研实践。驻安江农校工作组把这一情况反映给地委，地委明确表态要保护他。当袁隆平的试验再次遭到破坏时，党组织又支持他带着助手去海南和云南加速培植秧苗。
1967年3月16日，湖南省科委正式把杂交水稻研究列入全省重点科研项目，发函安江农校，责成学校将“水稻雄性不孕性”研究列入计划。为此，袁隆平亲自起草计划，呈报湖南省科委和黔阳地区科委。省科委立项后，先后拨给专项研究经费600元和3000元。同时，省、地科委又多次派员去安江农校了解情况，支持袁隆平的科学试验。当年6月，学校成立了以袁隆平为首，李必湖、尹华奇参加的黔阳地区农校（即安江农校）杂交水稻科研小组。这样，中国第一个杂交水稻研究小组在安江农校诞生了。
为了加快试验育种工作，袁隆平带着助手李必湖、尹华奇开始了艰苦的南繁生活。1969年冬，他们到云南省元江县农科所育种。就在准备用小布袋催芽的当天（元月2日）凌晨，峨山县发生7.2级地震，受到波及的元江，震级达5级以上。为免受房屋倒塌之害，他们只好将试验搬到了水泥球场上。水泥地上垫几把稻草，再铺上张草席，就是他们的床铺。稻种在摇晃着的土地上播下了，凭着与试验共存亡的勇气，经5个月的辛勤劳动，又繁育了一代雄性不育的种子。师生三人就这样以苦为乐，以事业为荣，沉醉在杂交水稻的研究中。他们一年四季，南北奔波，四海为家。在攻关的前10年，袁隆平有7个春节是在海南育种基地度过的；3个孩子落地，有两个出生时他不在妻子身边；父亲在重庆逝世，他坚守在海南育种基地。大家说，袁隆平视杂交水稻种子胜过妻子、儿子和老子！
1970年6月，袁隆平对6年来的研究进行认真总结，发现先后用一千多个品种做了三千多个杂交组合的试验，始终没有找到一个理想的不育系后代，其原因是所有试验材料品种都是栽培稻，从地理环境到生物学特性，其亲缘关系都是比较近的，就像近亲结婚后代不聪明一样。怎么办？袁隆平提出走远缘杂交的道路，把杂交材料的亲缘关系尽量拉大，用一种远缘的野生稻与栽培稻进行杂交，获得雄性不育株，进而选育三系。于是，一种新的思路形成了。(www.xing528.com)
为了找到野生稻，走远缘杂交之路，袁隆平带领李必湖、尹华奇等人奔向天涯海角的海南三亚，深入到黎家山寨询问老农，在荒凉的山野里到处寻觅。
1970年11月23日上午，李必湖在海南农技工作者冯克珊引领下，来到南红农场铁路涵洞附近的水坑沼泽地段，找到了一片约0.3亩面积的普通野生稻。
李必湖见到了野生稻，乐得大嘴都合不拢来。他鞋一脱，裤脚一卷，便跳了下去。他像当年导师袁隆平寻找不育株一样，在野生稻群中一株一株地仔细查看其特征和性状。奇迹终于出现了！就在找到野生稻之后20分钟左右，他敏锐的眼光在3朵野稻花上停住了——那是雄蕊败育的野生稻。袁隆平给它起了个俗名叫“野败”。他惊喜交加地进一步观察，发现这3个稻穗生长于同一个稻蔸上，由此初步推断其是由一粒种子生长起来的不同分蘖。除这3个稻穗以外，还有大量的匍匐于水面生长的后生分蘖。李必湖弯下腰，准备伸出双手插进泥里将稻株连根抠出来。谁知那水草中各种虫类受了惊吓，呼啦呼啦乱飞乱跳起来，粗大的水蚂蟥游了过来，还有一条两尺多长的水蛇盘伏在他身边的一蔸草丛里，伸出可怕的头东张西望。这可把李必湖吓了一跳。他想把水蛇赶走，可是赤手空拳，怎么办？他捧起泥团甩去，把水蛇赶跑了。李必湖这才松了一口气，用双手插进泥里，继续抠那株野生稻。为了不影响它的生长，他小心翼翼地连泥带兜捧起来，这坨泥巴足有七八斤重哩！他捧着植株在沼泽地里深一脚浅一脚地挪动着。到了沼泽地边的路上，他轻轻放下手里捧着的“宝贝”，脱下身上的衣服，铺在地上，将“宝贝”包好，捧在胸前走着，这样走是很费力的，幸亏半路遇到一辆牛车，他们搭牛车返回了农场。
李必湖把“野败”种在试验田里。烈日当头，他耐心地坐在特制的水田工作凳上，守候着“野败”开花。每当野败开一朵花，他便小心地用镊子夹着栽培稻的花朵与其杂交，并在小本上做记录。
一连5天，李必湖共培育杂交了65朵花，这65朵花结了12粒种子，最后获得5粒宝贵的杂种。
1971年元月，研究小组在海南南红农场继续搞春繁。他们采取无性繁殖的方法，把“野败”扩大到46株。3月下旬，“野败”抽穗，李必湖、周坤炉和前来跟班学习的江西萍乡农科所的颜龙安等用“6044”、米特、新三号、珍汕97等几十个栽培稻种进行了测交，得到200多粒杂交第一代种子。
1971年春，湖南省农业科学院成立杂交稻研究协作组，袁隆平调省农业科学院杂交稻研究协作组工作。学校及时调整了“水稻雄性不育课题组”，由杜安祯、李必湖、尹华奇、罗华生、孔庆玲、邱茂健、罗荷莲、尹先安等12名技术人员组成，袁隆平兼任组长，经常回校指导课题组研究工作；杜安祯担任副组长，主持课题组日常研究工作。
这一年的试验结果表明：杂种的第一代就出现了高度分离，有的长得像野生稻，有的长得像栽培稻，植株高矮不齐，抽穗有早有晚。完全雄性不育的植株占40%以上。这个结果说明：“野败”不育株是另一种类型的雄性不育，用来培育水稻“三系”大有前途。
袁隆平的杂交水稻研究吸引了全国各地的绿色革命支持者，各地纷纷成立了科研协作攻关小组。1971年春，“野败”在海南拔节抽穗的时候，江西萍乡农科所、广西农科院、福建农科院，广东、湖北、新疆等13个省、市、自治区的18个单位50多名农业科技工作者，赶到袁隆平他们居住的海南南红农场附近，与袁隆平并肩战斗，一道参加攻关。
袁隆平变成了大忙人，每天要挤出时间接待南来北往的客人，给大家介绍科研情况，还要带着跟班学习的同志到田里做试验。他把当时还十分珍贵的“野败”种子分送给江西萍乡的同行做试验，使他们收获了“野败”第二代杂交种子。
广西农学院的张先程要一斤不育系种子，袁隆平大大方方地送给他两斤。
福建的同行在科研中遇到了难题，袁隆平把一蔸“野败”材料用塑料布包好，亲自送到福建同行的驻地……
1972年3月国家科委和农业部同时把杂交水稻列入全国重点科研项目，而后，由中国农科院和湖南省农科院牵头，成立了全国性的科研协作组。同年9月在湖南长沙召开了第一次全国杂交水稻科研协作会，组成了全国范围的攻关协作网。当年参加协作的有19个省、市、自治区。部分科研单位和大专院校分担了杂交水稻的基础研究工作。他们同育种工作者密切配合，对水稻“三系”和杂交组合进行细胞学、遗传学和生理生态等方面的研究。通过全国大协作，大大加快了三系配套的进程。10月，周坤炉带来的野败杂种抽穗了，共71株，其中有46株表现雄性不育，其余25株表现部分可育。江西、湖南等省成功地育成了“珍汕97A”“二九南1号A”“71—72A”“V20A”等不育系。后通过进一步转育和回交，于1973年夏，颜龙安等育成珍汕97、二九矮一号，袁隆平、周坤炉等育成二九南一号、71－72、V20等野败不育系和保持系。
在突破“不育系”和“保持系”的基础上，选用长江流域、华南、东南亚、非洲、美洲、欧洲等地的1000多个品种进行测交筛选，找到了100多个具有较强恢复能力的品种。
1973年春，袁隆平在海南亲自配制了10多公斤杂交水稻种子，分给助手们试种，获得最高亩产505公斤的好成绩，杂交水稻试种高产得到普遍肯定。接着周坤炉又培育出杂交早稻品种“威优35”，早稻杂交组合也能增产。就这样，杂交水稻的优势关终于闯过，争论终于平息。
1973年秋，广西农学院张先成，农科院李丁民最先鉴定出IR24、IR661、泰引一号、古154等野败恢复系。半月之后，湖南、江西、广东等省的科研人员也相继鉴定出同一恢复系。张先程、袁隆平等早先在东南亚品种中，找到了一批以IR24为代表的优势强、花药发达、花粉足、恢复度在90%以上的恢复系。
1973年10月，袁隆平在苏州召开的全国水稻科研会议上，发表了《利用野败选育三系的进展》的论文，正式宣告我国籼型杂交水稻“三系”配套成功。
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