Theo Virmani (2003) ưu thế lai là hiện tượng con lai F1 của hai bố mẹ khác nhau biểu hiện vượt trội bố mẹ của chúng về sức sống, năng suất, kích thước bông, số hạt trên bông về khả năng đẻ nhánh. Ưu thế lai chỉ biểu hiện ở thế hệ đầu, mức độ biểu hiện ưu thế lai tùy thuộc mức đa dạng của bố mẹ hoặc biểu hiện ưu thế lai khác loài phụ của các dòng bố mẹ: lai giữa hai loài indica x japonica biểu hiện ưu thế lai tối đa, ưu thế lai biểu hiện giảm dần khi lai indica × japonica > indica × javanica > japonica ×javanica > indica × indica > japonica × japonica > javanica × javanica. Ưu thế lai dương hoặc âm, cảưu thế lai dương và âm đều hữu ích, tùy thuộc vào tính trạng, ví dụ ưu thế lai dương năng suất, ưu thế lai âm thời gian sinh trưởng. Nhiều chứng minh hiện tượng ưu thế lai ở lúa, năng suất lúa lai F1 khoảng 10 tấn/ha cả vùng nhiệt đới và ôn đới. Ưu thế lai năng suất hạt tăng 20-30% ở các điều kiện thuận lợi. Tuy nhiên năng suất biến động lớn ở các mùa vụ khác nhau, vùng nhiệt đới ưu thế lai năng suất thấp hơn ở vùng ôn đới. Năng suất ưu thế lai cơ bản trên số hạt/bông và khối lượng hạt cao hơn. Năng suất của lúa lai cao hơn hẳn các giống lúa cải tiến thấp cây. Các giống lúa cải tiến đã kịch trần về năng suất, các giống lai là cơ hội vượt qua trần năng suất và đã rất thành công ở các cây như ngô, cao lương (Parvez, 2006; Stuber, 1994).
Khám phá hiện tượng bất dục đực CMS ở lúa là điều kiện để các nhà tạo giống khai thác ưu thế lai ở lúa, nhưng ít được quan tâm (Athwal and Virmani, 1972; Erickson, 1970; Shinjyo, 1969). Đến khi Trung Quốc thông báo thành công tạo giống và sản xuất hạt giống lúa lai ba dòng năm 1977 thì hiện tượng bất dục đực CMS được quan tâm nghiên cứu nhiều. Những giống
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 19 lúa lai của Trung Quốc sử dụng dòng CMS để sản xuất hạt lai F1 cho năng suất cao hơn các giống truyền thống từ 20 -30% (Akram, 1999).
Ưu thế lai năng suất và các đặc điểm khác ở lúa được Jones (1926) báo cáo từ năm 1926 và sau đó được Chang (1973), Patnaik (1976), Virmani (1981) thông báo. Một số kết quả nghiên cứu ưu thế lai ở lúa thực hiện nhưng năm 1970 tại Davis Califforlia cho thấy có 11 trong 153 tổ hợp lai biểu hiện ưu thế lai năng suất ở mức có ý nghĩa, ưu thế lai năng suất biến động từ 16 - 63% và trung bình là 41%. Virmani (1981) đã phát hiện có sự biến động rộng của ưu thế lai (heterosis) và ưu thế lai thực (heterobeltosis) ở lúa về năng suất và yếu tố tạo thành năng suất.
Ưu thế lai thực biến động trong phạm vi 39% đến 91% về năng suất, từ 55-70% về số hạt/bông, từ 14-31% về khối lượng 1000 hạt và từ 5% đến 45% về số bông/khóm.
Nghiên cứu 4 tổ hợp lúa lai tại IRRI và Hàn Quốc năm 1984, kết quả cho thấy có biểu hiện ưu thế lai dương về năng suất hạt: ưu thế lai trung bình (92%)ưu thế lai thực ( >48%) và ưu thế lai chuẩn ( >43%) ở 3 mức phân bón (120N, 180N và 240N/ha). Trung bình trong 2 năm, 4 con lai F1 biểu hiện ưu thế lai dương (74%)ưu thế lai thực (25%) và ưu thế lai chuẩn (17%) năng suất trung bình đạt 10,4 tấn/ha (Yang, 2003) .