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1964年7月5日，他在试验稻田中找到一株“天然雄性不育株”，经人工授粉，结出了数百粒第一代雄性不育株种子。[8][9]
1965年7月，袁隆平又在14000多个稻穗中逐穗检查到6株不育株，并在此后两年播种中，共有4株成功繁殖了1～2代。其研究彻底推翻由传统经典理论米丘林、李森科的“无性杂交”学说，并推论水稻亦有杂交优势。通过培育雄性不育系、雄性不育保持系和雄性不育恢复系的三系法途径来培育杂交水稻，可以大幅度提高水稻产量。[10]
1964年2月22日，与农技干部邓则结婚。[11]
1964年到1965年，两年的水稻开花季节里，他与科研小组在稻田进行杂交育种试验。后在稻田里找到了6株天然雄性不育的植株。经过两个春秋的观察试验，对水稻雄性不育材料有了较丰富的认识，根据所积累的科学数据，在大学毕业工作12年左右的他，发表在1966年第17卷第4期《科学通报》上。
1965年7月，又在安江农校附近稻田的南特号、早粳4号、胜利籼等品种中，逐穗检查14000多个稻穗，连同上年发现的不育株，共计找到6株。经过连续两年春播与翻秋，共有4株繁殖了1～2代。
1966年2月28日，发表第一篇论文《水稻的雄性不孕性》，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。5月，国家科委九局局长赵石英同志，获悉袁隆平发表的《水稻的雄性不孕性》一文后，引起高度重视，以科委九局名义致函湖南省科委与安江农校，支持袁隆平的水稻雄性不育研究活动，指出这项研究的意义重大，如果成功，将使水稻大幅度增产。[12]6月，开始，袁隆平遭受冲击，水稻雄性不育试验被迫中断。
1967年4月，袁隆平起草“安江农校水稻雄性不孕系选育计划”，呈报省科委与黔阳地区科委。6月，由袁隆平、李必湖、尹华奇组成的黔阳地区农校（安江农校改名）水稻雄性不育科研小组正式成立。
1968年4月30日，袁隆平将珍贵的700多株不育材料秧苗，插在安江农校中古盘7号田里，面积133平方米。5月18日晚上，中古盘7号田的不育材料秧苗，被全部拔除毁坏，成为未破的谜案。袁隆平心痛欲绝。事发后第4天才在学校的一口废井里找到残存的5根秧苗，继续坚持试验。
1969年冬，袁隆平、李必湖、尹华奇等到云南省元江县加速繁殖不育材料。
1970年夏，袁隆平从云南引进野生稻，拟在靖县（安江农校又搬迁到了靖县）做杂交，后因没有进行短光照处理而未成功。秋季，袁隆平带领科研小组李必湖、尹华奇来到海南岛崖县南江农场进行三季水稻实验条件良好的海南，进行研究试验，向该场技术员与工人调查野生稻分布情况。
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。
1973年，协作组通过测交找到了恢复系，攻克了“三系”配套难关。10月，袁隆平在苏州召开的水稻科研会议上发表了《利用“野败”选育三系的进展》的论文，正式宣告中国籼型杂交水稻“三系”已经配套。
1975年，袁隆平攻克了“制种关”，摸索总结制种技术成功。
1977年，袁隆平发表了《杂交水稻培育的实践和理论》与《杂交水稻制种与高产的关键技术》两篇重要论文。
2017年9月，在2017年国家水稻新品种与新技术展示现场观摩会上，袁隆平宣布一项剔除水稻中重金属镉的新成果：“近期我们在水稻育种上有了一个突破性技术，可以把亲本中的含镉或者吸镉的基因‘敲掉’，亲本干净了，种子自然就干净了。”[13]
“杂交水稻之父”袁隆平及其团队培育的超级杂交稻品种“湘两优900（超优千号）”又创亩产纪录，经第三方专家测产，该品种的水稻在试验田内亩产114902公斤。[14]
2020年3月，袁隆平院士选址、谋划和题名的“隆平国际现代农业公园”在广州市黄埔区启动建设，一期项目大吉沙岛水稻公园水稻种植工作启动。[19]
2020年6月，袁隆平团队在青海柴达木盆地试种的高寒耐盐碱水稻（又称海水稻）在盐碱地里长出了水稻。
番外篇神农之名袁老
星辰光柱无比璀璨，却跨越了广大疆域。
“吴老，这山河，如何？”
穆守轻声说道。
吴老点了点头，
“国富兵强，已然无恙！”
穆守摇头一笑，
“吴老慧眼，这山河再也不会被他人欺凌，您这些年救下的这些人，也都在幸福的活着，您功德无量。”
“哈哈哈，不必捧我，倒是你，我观你年岁不过二几，竟然是传说之中的仙，实在是令人匪夷所思，还有你身边二人，各有仙气，也是那些传说之中的大能吧。”
吴老哈哈一笑，显然接受了自己死去的事实。
“这位是江流儿，这位是李白。”
“江流儿？李白！”
吴老面色一变！
“西游里的江流儿？唐朝的李白？”
穆守微微一笑，点了点头，
吴老很快平复了心情，
“二位，有礼了！”
江流儿和李白同时还礼，
“哈哈，想不到我吴孟超碌碌一生，竟然能够在死去见到传说之中的人物，此生，值了！”
吴老大笑，竟然是十分欣慰。
“小家伙，你呢？我还不知道你的名字。”
“我叫穆守。”
“穆守，以穆为名，守心抱元，好名字啊，好名字，诶，这里是？长沙？”
吴老暗自斟酌，朗声说道，却忽然注意到了自己身处之地。
“对。”
穆守面色凝重，看着不远处依旧耀眼无比的星辰光柱。
“是他？”
吴老面色一变，随即有些失神。
“先去看看吧。”
四人来到光柱之处，白色的高楼，显然也是一座医院。
“从大门过吧。”
吴老忽然说道。
穆守微微一愣，点了点头。
四人落下，无人可查，吴老踏在大地之上，
“这一生，我几乎都在医院里过的，每次到了医院都想慢慢走一走，”
吴老语气有些低沉，显然心中已经有所预料。
忽然江流儿眼睛一撇，看到一些人，蹲在地上，身旁放着各种奇异设备，手拿白色盒子，一口一口的扒着米饭。
“他们是？”
“记者。”
吴老淡淡说道，显然是见怪不怪。
穆守眼中闪过一道怒气，轻哼一声，顿时四周传来一阵噼里啪啦的声音，所有记者的摄像设备突然炸开，冒烟，眨眼之间竟然毁的一个不剩！
“啊！怎么会这样？”
有人扔掉了手里的盒饭，惊呼一声，急忙上前抢救自己的设备。
“算了。”
吴老摇了摇头，目光有些遗憾。
“学医，也无法拯救一些人的心灵，这已经是这个世界的常态，走吧，去看老朋友最后一面。”
“文明从未病态，病态的只是生灵的欲望。”
李白背负双手，淡淡说道。
吴老叹息一声，走过一个个面色惊慌，痛惜的记者身边，面色格外平静。
某个病房之前，已经有不少人聚集此处，面色各异，有担忧，有惋惜，有不甘，有愤怒，有难过，有悲伤。
“这些人是？”
江流儿问道。
穆守神识一扫，
“应该是里面那位老人身边的人。走吧，那位老人好像在等我们。”
江流儿点了点头，四人阒若无人，穿过病房门，
一个老人安静的躺在床上，面容慈祥，嘴角隐约有一丝微笑。