与大多数人的直觉相反，农民模样的袁隆平并不是出生在农民家庭的孩子。他出生于1930年的北平协和医学院，他的一位姨妈在协和医院担任护士，他的出生档案上还有林巧稚（中国现代妇产科奠基人之一）的签名。袁家家境优良，父亲是东南大学毕业生，母亲是教会学校高材生，能讲一口流利的英文，母亲告诉袁隆平：要博爱，要诚实，要做一个有道德的人。袁隆平说：“母亲的教育影响了我一辈子。”
根据某本传记，他是在6岁时随大人郊游去了一个农村的果园，就此喜欢上了田园；另一本传记则认为他最早爱上农村是在15岁。不过，无论是6岁或是15岁，都刚好绕开八年抗战时期。我们可以推测，没有战争的田园给袁隆平留下了美好的印象，又加上不甚喜欢数学，读大学时，他报考了农学系。
1953年，毕业于西南农学院。根据袁的口述回忆录，毕业鉴定上写着“爱好——自由，特长——散漫”。毕业后，袁去湖南安江农校担任教师。这大概与今天的支教青年有点儿类似，不过，因为当时的政治环境，袁的“支教”并不轻松。
做教师期间，袁隆平跟对门学校的女老师谈过一次长达数年的恋爱，对方最后还是放弃了他，选择了一个“出身比较好”的男青年，“做出了在政治上‘要求进步’的选择”。直到33岁，袁隆平才与自己从前的学生、同样“家庭出身不太好”的姑娘邓则结婚。之后，除去时代带来的一些波折，袁隆平的家庭生活普通而“美满”。
在那个年代的社会主义国家，最灿烂的农学明星是苏联人李森科，他继承了拉马克的思想，认为环境影响比遗传更重要，而孟德尔和摩尔根的遗传学被认为是“反革命”和“资产阶级”的。最初，根据李森科“简便易行”和“立竿见影”的“无性杂交”理论，袁隆平尝试把西红柿嫁接到马铃薯身上。第一年，他大获成功，土里挖出了马铃薯，茎上收获了西红柿。然而，到了第二年，把去年收获的种子种到地上，长出的西红柿跟普通西红柿一点区别也没有。
土豆西红柿的故事发生在1960年和1961年，那两年间，除了土豆西红柿的实验失败，袁隆平印象最深刻的，还有饥饿。那段时期，袁隆平亲眼目睹了路边、桥头和田坎的尸体，也体会过饥饿的日子里，“肚子空空，身体没力，两腿没劲。晚上睡觉，被窝冰凉，始终也睡不热……”1961年的春天，因为“搞小麦，觉得在湖南没有前途；搞红薯，觉得是个搭头，意义不大”，袁隆平决心去研究能填饱肚子的水稻。
他曾从田里精选了一棵穗大饱满的稻子，收获了1024颗稻种，把它们种在田里。然而，最优秀的稻子长出的后代居然高高矮矮，有早有迟，没有一株的性状超过前代——这让他忽然想起了正被批判的孟德尔-摩尔根的遗传理论——杂种的第二代会发生性状分离，那么，上年那棵穗大粒多的稻株，应该是一棵天然的杂交水稻。
利用杂种优势提高作物产量的做法，从上世纪20年代就开始了。当时，出身于政治豪门的美国小伙子华莱士发现了杂交玉米的秘密——杂种玉米的个儿硕大又整齐。华莱士和朋友专门成立了公司，利用杂交育种技术改良玉米种子，仅用了10年，这个公司的业务从北美洲扩展到了欧洲、亚洲、南美洲和非洲，创造了华莱士家族巨大的财源。华莱士后来尝试从政，做过美国农业部长,还做过商业部长和副总统。
1962年，带着对那棵杂交水稻的问号，袁隆平自费去北京拜访专家。在中国农科院的图书馆中，他读到了大量新鲜的外文资料，知道了杂交玉米的成功，他该做的就是找到利用水稻杂种优势的方法。
杂交水稻育种迟迟没有突破是有原因的。与玉米相比，水稻的杂交很困难。人类的3种主粮作物中，玉米是雌雄同株异花植物，雌花和雄花在植株的不同部位，分离得很清楚，最容易进行杂交。而杂交玉米的办法用到水稻上却不可行，因为水稻不仅花极小，一朵花只结一颗种子，而且花粉也只在极短时间内具有活力。操作上的困难让人们很难用手工杂交的方法来提供大批量的杂交种子以满足大田生产的要求。在当时的国际水稻学界，专家们几乎一致认为，水稻是自花传粉作物，杂交没有优势，即使有优势，也由于无法提供大批量杂交种子，水稻杂种优势还是无法用于大规模水稻生产。但从北京回到湖南后，袁隆平还是决定从那棵穗大粒多的水稻身上寻找杂交水稻的钥匙。
过了三四年，检查了14000棵稻穗上的小花，在当时的中科院院刊《科学通报》上，36岁的袁隆平发表论文，描述自己在水稻身上的发现：他发现了4棵雄蕊没有生殖能力的稻株，而这种雄性不育的特征还可以遗传。于是，袁隆平说：“要利用水稻的杂种优势……首推利用雄性不育。”
1970年11月23日，海南岛野生水稻抽穗扬花的时节，海南本地的农场技术员冯克珊带着袁隆平的学生李必湖在一个长满野生水稻的水坑沼泽中发现了一棵他们需要的植株——那棵野生植株贴着地面生长，拥有败育的花粉。杂交了数代进行选育，他们淘汰掉了那棵植株的一系列不好的特性——匍匐生长、叶窄、茎秆纤细，容易落粒……花粉败育的特性仍然保存了下来。那株野生稻被取名为“野败”。从“野败”开始，水稻领域的一件偶然发生的小概率事件，促成了另一场影响深远的农业技术革命。事实上，就在“野败”被发现后不久，大约在1972年，国际水稻研究所中断了他们的杂交水稻研究，原因是“很难解决有关的技术问题”。
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