Результаты его неустанных трудов скоро проявились: в 1867 году он блестяще защитил в Московском университете магистерскую диссертацию «О размещении и развитии устьиц на листьях цветковых растений». Это был важный вопрос, так как с числом устьиц связана транспирация растений, то-есть выделение ими воды в атмосферу для поддержания температуры листьев на определенном уровне. Работа Карельщикова создавала научную основу для представлений о водном и тепловом режиме растений. Костычев прочитал диссертацию Карельщикова еще до ее защиты; исследования учителя очень заинтересовали ученика. Было доказано, что «численность устьиц на листьях представляет у каждого растения определенный максимум и минимум». Теорию развития устьиц, предложенную иностранными ботаниками — Карстеном и Зорауром, молодой русский ученый отверг как «абсолютно неправильную». Он на огромном экспериментальном материале вскрыл закономерности размещения устьиц на листьях разных растений и пришел к новым важным выводам, что «двудольные отличаются разнохарактерным положением устьиц, а однодольные параллельным» и что «устьица принадлежат верхней кожице и помещаются всегда в ряду ее клеточек».
Глубоко заинтересовавшись водным режимом растений, Костычев быстро замечает, что у Карельщикова этот вопрос затронут лишь с анатомической стороны. Физиология устьиц, их «работа», количество выделяемой ими влаги, связь всех этих явлений с поступлением воды из почвы в корневую систему растений — все это оставалось неосвещенным. Костычев просматривает русские и немецкие ботанические и агрономические журналы и выбирает из них все интересные статьи по водному режиму растений. Плодом этой работы молодого ученого явилась статья «Откуда растения берут воду?», которую Костычев опубликовал в одном из номеров журнала «Сельское хозяйство и лесоводство» за 1869 год.
Еще осенью 1866 года Карельщиков и Костычев занялись изучением корневой системы некоторых луговых трав. Молодых ученых интересовал вопрос о размножении этих трав корневой порослью. С увлечением копал Костычев влажную петербургскую почву, и его глазам открывались тайны подземной жизни луговых растений: в почве они образовывали целый лабиринт корней, которые уходили от самого растения в стороны иногда на несколько метров. «Жирные» спрятанные в почве корни не боялись морозов, хорошо перезимовывали и весной давали жизнь новым буйным надземным побегам. Эти травы благодаря особенностям строения их корневой системы являлись многолетними, что и обеспечивало им большую жизнестойкость и успешное распространение. Сорные растения этой группы, попадая на поля, делались сущими бичами для земледельца, искоренить их было очень трудно, особенно теми орудиями обработки почвы, которые были в распоряжении крестьян Петербургской губернии.