L’agriculture biologique (AB) est souvent présentée comme une alternative prometteuse à l’agriculture conventionnelle, permettant des systèmes alimentaires durables tout en minimisant les impacts environnementaux. La capacité de l’AB à satisfaire la demande alimentaire mondiale reste néanmoins fortement débattue. Plusieurs études ont conclu que l’AB pourrait satisfaire la demande alimentaire globale à condition de réduire simultanément la consommation de produits animaux et les gaspillages. Cependant, ces études n’ont pas pleinement pris en compte les changements d’assolement et de choix d’espèces lorsque les systèmes conventionnels sont convertis en AB. Surtout, ils ont ignoré le rôle clé de la disponibilité en azote (N) dans le maintien des rendements en AB. Dans cette étude, nous avons d’abord réalisé une méta-analyse comparant les rotations de cultures en agriculture biologique et conventionnelle à l’échelle mondiale. Sur la base de ces résultats, nous avons développé une cartographie des espèces cultivées à l’échelle globale sous un scénario de fort développement de l’AB. Nous avons ensuite estimé la production alimentaire grâce au développement de GOANIM (Global Organic Agriculture NItrogen Model), un modèle biophysique et spatialement explicite d’optimisation linéaire simulant le cycle de l’azote (N) et ses effets sur la production alimentaire globale. GOANIM est adapté au cas de l’AB et simule les flux d'azote entre les terres cultivées, les animaux d'élevage et les prairies permanentes, ainsi qu’entre les systèmes agricoles biologiques et conventionnels. Le modèle optimise les populations d’élevage à l’échelle locale afin de maximiser l’approvisionnement en N provenant du fumier, ce qui maximise la production issue des terres cultivées, tout en minimisant la concurrence exercée par les animaux pour les ressources alimentaires. GOANIM a été utilisé pour simuler l’offre alimentaire sous plusieurs scénarios de conversion à l’AB. Ces résultats ont été comparés à différentes estimations de la demande alimentaire mondiale. Nous montrons que la carence en N risque d’être un facteur limitant majeur de la production en AB, entraînant une réduction de -37% de la disponibilité alimentaire à l’échelle globale sous un scénario de conversion à l’AB de 100%. Nous montrons que des taux de conversions inférieurs (jusqu'à 60% des terres agricoles), en coexistence avec l'agriculture conventionnelle, permettent de satisfaire la demande alimentaire mondiale si cette conversion est associée à une évolution conjointe de la demande, telle que la réduction de l'apport énergétique par individu ou du gaspillage alimentaire. Ces travaux contribuent de manière substantielle à mieux comprendre le rôle que l’AB peut jouer dans la transition vers des systèmes alimentaires équitables et durables. Ils indiquent également des voies à suivre pour parvenir à la sécurité alimentaire mondiale. / Organic agriculture is often proposed as a promising approach to achieve sustainable food systems while minimizing environmental impacts. Its capacity to meet the global food demand remains, however, debatable. Some studies have investigated this question and have concluded that organic farming could satisfy the global food demand provided that animal product consumption and food waste are reduced. However, these studies have not fully considered the changes in the type of crops grown that occur when conventional farming systems are converted to organic farming. Most importantly, they also have missed a critical ecological phenomenon by not considering the key role that nitrogen (N) cycling plays in sustaining crop yields in organic farming. In this study, we first carried out a global meta-analysis comparing organic vs conventional crop rotations. Based on these results, we developed global spatial explicit maps of the type of crop grown if organic farming was to drastically expand. We then estimated organic global food production using GOANIM (Global Organic Agriculture NItrogen Model), a spatially explicit, biophysical and linear optimization model simulating N cycling in organically managed croplands and its feedback effects on food production. GOANIM explores N flows between croplands, livestock animals and permanent grasslands, and with conventional farming systems. The model optimizes livestock populations at the local scale in order to maximize N supply from livestock manure – hence maximizing cropland production –, while minimizing the animals’ competition for grain food resources. We used GOANIM to simulate several supply-side scenarios of global conversion to organic farming. We then compared the outcomes of these scenarios with different estimates of the global demand, thus leading to complete exploration of the global production-demand options space. We show N deficiency would be a major limiting factor to organic production in a full organic world, leading to an overall -37% reduction in global food availability. Nevertheless, we also show that lower conversion shares (up to 60%) would be feasible in coexistence with conventional farming when coupled with demand-side solutions, such as reduction of the per capita energy intake or food wastage. This work substantially contributes to advancing our understanding of the role that organic farming may play to reach fair and sustainable food systems, and it indicates future pathways for achieving global food security.

Les champignons de la rhizosphère ont une grande influence sur le développement et la croissance des plantes. Certains de ces micro-organismes protègent les plantes contre les pathogènes, atténuent l'impact des stress abiotiques ou facilitent la nutrition des plantes. Ces organismes s'influencent mutuellement et forment des réseaux complexes d'interactions. Déterminer le fonctionnement du microbiome fongique de la rhizosphère des plantes cultivées est une étape nécessaire pour optimiser l'efficacité de la production végétale. Nous avons testé les hypothèses suivantes : (1) la diversification des systèmes de culture influe sur le microbiome fongique de la rhizosphère du canola; (2) le canola a un core microbiome, soit un ensemble de champignons toujours associés au canola quelles que soit les conditions du milieu; et (3) que certains de ces taxons ont une influence déterminante sur la structure des communautés (taxons nodaux) dans le core microbiome. Pour ce faire, en 2013 et 2016, nous avons échantillonné à la floraison, la phase de canola (Brassica napus) du système de culture, qui est l'un des deux types de canola (Roundup Ready® et Liberty Link®), utilisés dans le cadre d'une expérience de terrain à long terme (6 ans). Lacombe (Alberta), Lethbridge (Alberta) et Scott (Saskatchewan). En utilisant le séquençage d’amplicon par illumina, nous avons obtenus des résultats qui montrent que la diversification des cultures a un impact significatif sur la structure des communautés fongiques de la rhizosphère. Nous avons également découvert et décrit un core microbiome constitué de 47 OTU (Unité Taxonomique Opérationnelle) en 2013 et identifié Preussia funiculata, Schizothecium sp., Mortierella sp., Nectria sp. ainsi que deux taxons inconnus (OTU12 et OTU298) comme taxons nodaux parmi ce core microbiome. Cependant ce core microbiome s’est montré variable, et nous n’avons pu identifier qu’un OTU y appartenant en 2016 : Olpidium Brassicae. Nos résultats permettent de confirmer l’impact de la diversité culturale sur le microbiome fongique du canola et sont présentés comme une base pour le développement de stratégies d'ingénierie écologique pour l'amélioration de la production de canola. / The fungi in the rhizosphere have a large influence on plant development and growth. Some of these micro-organisms protect plants against pathogens, mitigate the impact of abiotic stress, or facilitate plant nutrition. These organisms influence each other and form complex webs of interactions. Deciphering the structure and function of the fungal microbiome of crop plant rhizosphere is a necessary step toward optimizing the efficiency of plant production. We tested the hypotheses that (1) the diversification of cropping systems influences the fungal microbiome of canola rhizosphere, (2) canola has a fungal core microbiome, i.e. a set of fungi that are always associated with canola, and (3) that some taxa have a determining influence on the structure of the communities (hub-taxa) within the core microbiome. In 2013 and 2016 we used the canola (Brassica napus) phase of five cropping system at blooming stage, from the less to the most diversified, that included one of two types of canola (Roundup Ready® and Liberty Link®), in an existing long-term (6 years) field experiment. The experiment has a randomized complete block design with four blocks, and is replicated at three locations: Lacombe (Alberta), Lethbridge (Alberta) and Scott (Saskatchewan). Our results show that crop diversification has significant impact on the structure of rhizosphere fungal communities. We also discover and described a canola core microbiome made of 47 OTUs in 2013 and identified Preussia funiculata, Schizothecium sp., Mortierella sp., Nectria sp. and two other unidentified taxa (OTU12 and OTU298) as the hub-taxa among this core. However this core microbiome was variable and could identify only one member in 2016 : Olpidium brassicae. Our results confirmed the effect of crop diversification upon the fungal microbiome of canola and are presented as a basis for the development of ecological engineering strategies for the improvement of canola production.