1、袁隆平在中國率先開展水稻雜種優勢利用研究。在他撰寫的第一篇論文《水稻的雄性不孕性》中，提出了：“要想利用水稻雜種優勢，首推利用雄性不孕性”。他的理論與研究實踐是對經典遺傳學理論的挑戰，否定了水稻等“自花授粉作物沒有雜種優勢”的傳統觀點，極大地豐富了作物遺傳育種的理論和技術 。
2、袁隆平解決了三系法雜交稻研究中的三大難題。一是提出用“野生稻與栽培稻進行遠緣雜交”的技術方案，終於找到了培育雄性不育系的有效途徑，於1973年實現了不育系、保持系和恢復系的“三系”配套。二是育成強優勢的雜交水稻“南優2號”等一批組合，並在生產上大面積應用，成為世界上第一位成功利用水稻雜種優勢的科學家。三是突破了制種關，過去的研究認為，水稻異交率僅2.4%，雜種一代種子產量極低，離生產要求相距甚遠；國際水稻所1971年開始研究，1973年放棄，原因也就是當時在該所沒有人相信可以解決制種難題。而袁隆平領導的課題組成功地解決了這一難題，制種產量逐漸提高，現在高的已達畝產300公斤以上 。
3、袁隆平提出了雜交水稻的育種發展戰略，即方法上由三繫到兩系再到一系，程序越來越簡單而效率越來越高；雜種優勢水平上由品種間到亞種間再到遠緣雜種優勢利用，優勢越來越強，促使雜交水稻一步一步向新的台階邁進。這一思路已被國內外同行採用，併成為雜交水稻育種發展的指導思想 [3] 。
4、袁隆平解決了兩系法中的一些關鍵技術難題。如1989年在兩系法研究遇到重大挫折的時候，他提出了選育實用光温敏核不育系導致不育的起點温度指標和選育的技術策略，使兩系法雜交水稻研究走出了低谷。後來又研究並提出了核心種子生產程序和冷水串灌繁殖等重大技術，使兩系法雜交水稻研究最終取得成功並推廣應用。他1987年起擔任“863”項目兩系法雜交水稻技術研究專題責任專家，主持中國性協作攻關。1995年兩系法雜交水稻研究成功，兩系雜交稻比同熟期三系雜交稻增產5%～10% 。
5、袁隆平設計出了以高冠層、矮穗層和中大穗為特徵的超高產株型模式和培育超級雜交稻的技術路線,並在超級雜交稻研究方面連續取得重大進展。1997年，袁隆平又開展超級雜交稻研究。已於2000年、2004年、2012年分別實現中國超級稻百畝示範片畝產700公斤、800公斤、900公斤的第一期、第二期、第三期目標。2013年，他啟動了百畝示範片畝產1000公斤的超級雜交稻第四期目標攻關，計劃到2020年前實現目標。同時實施超級雜交稻“種三產四”豐產工程，促進科技成果的生產應用。自2007年以來取得巨大的增產、增收效應，中國已有7個省市實施，其中湖南省全省參加的縣（市、區）由20個增加至2012年50個，面積達882萬畝。截至2012年，累計示範推廣面積2000多萬畝，增產20多億公斤，為糧食持續穩定增產做出了新的貢獻 。
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