随后新中国就面临着一个严峻的挑战。1960年罕见的天灾人祸带来的粮食饥荒造成不少同胞饿死在田间地头，这令袁隆平辗转反侧不能安睡。饥荒的继续使袁隆平也处于极端的饥饿当中，经常是肚子空空，身体没力，双腿没劲。在饥饿的逼迫下，他决心努力发挥自己的才智，用学过的专业知识，尽快培育出亩产过800斤、1000斤、2000斤的水稻新品种，让粮食大幅度增产，用农业科学技术战胜饥饿。从此，他开始了长达一生的水稻研究。
梦想的实现来自于多年的辛勤耕耘和对传统观念的挑战。在传统观念中，水稻为自花传粉植物而无杂种优势。袁隆平在早稻常规品种试验田中偶然发现一株与众不同的水稻植株。他根据多年积累的植物遗传学知识，对试验田里的退化植株进行仔细观察和认真分析，论证了这棵稻株是“天然杂交稻”，且从其第一代的良好长势，充分证明水稻也存在明显的杂交优势。试验结果使他确信，搞杂交水稻的研究，具有光明的前景！据此，他大胆推测：既然自然界客观存在着“天然杂交稻”，只要我们能探索其中的规律，就一定可以按照我们的要求，培育出入工杂交稻来，从而利用其杂交优势，提高水稻的产量。这样，袁隆平从实践和推理中突破了传统观念的束缚。
1965年10月，袁隆平把两年来从实验中获得的各种数据和资料进行分析整理，写出了第一篇关于杂交水稻的重要论文《水稻的雄性不孕性》。他认为水稻具有杂交优势，尤以籼粳杂种更为突出，要想利用水稻的杂交优势，必须解决大量的生产杂种的技术，解决这个问题的有效途径，首推利用雄性的不孕性。这是国内外第一篇论述水稻的雄性不孕性的论文，也是人类第一次发现并用文字表达水稻这一特殊特征，并指出它的巨大利用价值的论文。它标志着我国杂交水稻走在世界的前列。
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