如果是小规模的实验，处理一两个稻穗，用人工方法是完全可以的。但要在农村大面积推广，就要求育种环节简单易行，这样才能让农民学会，而且必须节省劳力，否则就会增加制种成本，最终没有推广价值。那么，怎样才能在不花费较多人工的前提下让不同品种的水稻进行杂交呢？这成了袁隆平每天都放不下的问题。
他开始搜集和这个问题有关的资料。这时他自费订阅的外文资料派上了用场。他了解到，在植物群体中存在个别不育的个体。有的是雌蕊不正常，有的是雄蕊不正常。这让他灵光一闪：如果找到雄性不育的水稻，将雄性不育系作为母本，和雄性可育的父本在大田中间隔种植，不就省去了人工去雄的烦琐了吗？这样就可以大面积进行水稻杂交种的培育了。
1964年7月，袁隆平在经历了千辛万苦的寻找和无数次的失败之后，终于在大田中发现了第1棵天然雄性不育株。在随后的两年时间里，他和助手们在稻田里一共找到了6株天然雄性不育株。他根据所积累的科学数据，结合自己的研究设想写成一篇论文，这就是1966年在《科学通报》上发表的《水稻的雄性不孕性》。这是国内第一次论述水稻雄性不孕性的论文。这篇论文不仅详尽叙述了水稻雄性不孕株的特点，而且将当时发现的雄性不育株区分为无花粉、花粉败育和部分雄性不育3种类型。这在这篇论文里，袁隆平提出了培育杂交水稻的三系配套战略设想，并描绘出培育杂交水稻的光辉前景。正是这篇论文，使他的工作受到了国家领导的重视，奠定了他在杂交水稻学界的最初地位。