开展杂交水稻的研究以后，袁隆平和助手进行了很多组水稻的杂交实验。他们用籼稻不育型与籼稻杂交，粳稻不育型与粳稻杂交，籼稻不育型与粳稻杂交，3种可能的组合都实验过了，做了3000多个组合，仍然没有培育出不育株率和不育度都达到100%的不育系来。实验可以说是全都失败了。现实是无情的，4年的时光如流水一样过去了，夜以继日的辛劳并没有获得与之相应的回报。
在当时的育种学界有一种理论认为，由于自花授粉植物是大自然经过长时间的自然选择与进化形成的，它们的内在结构包括基因已经与自花授粉活动高度一致。所以对自花授粉植物来说，要么杂交很困难，要么杂交没有优势，抑或是杂交优势不能保持。换句话说，袁隆平等人让原本自花授粉的水稻进行人为杂交是不会有什么成果的。
但这些并没有让袁隆平退缩。他发现，他所获得的杂交水稻，并不是没有杂交优势，只是优势不显著。这是由于控制水稻的籽粒大小、营养物质含量的基因有很多对，属于遗传学上讲的数量性状。要使这么多对基因同时变成高产组合，成功的概率本来就是非常低的。
理论上讲，在一定范围内两个杂交亲本的亲缘关系越远，杂种后代的杂交优势越大。人类栽培水稻的历史非常悠久，现在的栽培稻和现在的野生稻已经有了非常大的差别，如果让它们进行杂交，杂种后代的优势应该会更加明显。袁隆平和助手们决定找到野生稻的雄性不育株，让它与栽培稻杂交。但又一个难题摆在了眼前：哪里有野生稻？找到了野生稻就能找到雄性不育株吗？
苍天不负有心人。1970年11月，袁隆平的助手李必湖等人在海南发现了三个雄花异常的野生稻穗。他们把这蔸不育型的野生稻连泥挖起，搬到实验田里栽好。袁隆平将它命名为“野败”。经过籼稻品种广矮3784与“野败”杂交，当年只收获了3粒种子。可以说，这3粒种子比金子还珍贵。后来，他们又采用无性分蘖繁殖的方法，发展到46株。这就是后来轰动世界的三系法杂交水稻的祖先之一——不育系。
“野败”的发现和转育成功，结束了杂交水稻研究长期徘徊不前的局面。
为了加快杂交水稻的研究，1971年春，中国农业部把杂交水稻列入重大科研项目，并把不育系种子分送南方10省市20多个科研单位进行研究，组织科研攻关。他们先后使用上千个品种，做了上万个杂交组合，与“野败”进行回交转育。
1972年，江西萍乡市农业科学研究所颜龙安等人育成了第一批水稻雄性不育系和保持系，初步解决了这个难题。
但是仅有不育系和保持系是不够的，还需要代表另一品种的恢复系。恢复系是一种正常的水稻品种，它的特殊功能是用其花粉授给不育系后，所产生的杂交种雄性恢复正常，能自交结实，如果该杂交种有优势的话，就可用于生产。为了寻找恢复系，人们选用了国内外1000多个品种进行测交和筛选，找到了100多个有恢复能力的品种。张先程等先后在东南亚品种里找到了一批优势强、花药发达、花粉量大、恢复率在90%以上的恢复系。至此，“三系”终于配套成功了！1973年10月，在苏州召开的全国水稻科研会议上，袁隆平发表了《利用“野败”选育“三系”的进展》一文，正式宣告中国籼型杂交水稻“三系”配套成功。
“杂种优势”是指杂交子代在生长活力、育性和种子产量等方面都优于双亲均值的现象。比如让黄粒玉米和白粒玉米间行种植，它们杂交产生的籽粒会更大更饱满，总产量比单独分片种植要高。这在今天已是公认的规律。杂种优势的原理能不能用到杂交水稻上呢？这是袁隆平和他的协作者们必须回答的问题。
