Faits: A. En décembre 2004, le Département en charge de l'aménagement du territoire du canton de Genève (actuellement le Département des constructions et des technologies de l'information [ci-après: le Département]) a élaboré un avant-projet de loi modifiant les limites de zones sur le territoire de la commune de Thônex, afin de créer une zone de développement 3 et des zones de bois et forêts au lieu-dit "Les Communaux d'Ambilly", selon le projet de plan de zone n° 29460-537. Les parcelles n° 5125 et 4538, n° 5633 et n° 5632 du registre foncier de la commune de Thônex, propriétés respectivement de l'Etat de Genève, de la commune de Thônex, et de la commune française d'Ambilly, forment l'essentiel du périmètre du projet du plan précité, à raison de 360'000 m2. Celui-ci comprend également, dans sa partie sud, une poche de terrains bâtis, sis actuellement en 5ème zone villas (zone résidentielle destinée aux villas), dont font partie les biens-fonds n° 3983, n° 3985 et n° 5924 appartenant respectivement à C._ et B._, E._ et D._, et A._. Le projet de plan de zone n° 29460-537 situe désormais en zone de développement 3 les parcelles précitées. Mis à l'enquête publique du 7 février au 8 mars 2005, l'avant-projet de loi et le projet de plan de zone n° 29460-537 ont notamment suscité l'opposition de A._, de C._ et B._, ainsi que de E._ et D._ (ci-après: A._ et consorts). Ils ont contesté l'incorporation de leurs parcelles dans le périmètre du projet de plan de zone n° 29460-537, au motif qu'il s'agissait de terrains déjà bâtis de villas, et non pas libres de construction, comme les parcelles appartenant aux collectivités publiques précitées. Le Département leur a répondu, le 23 mai 2005, que la prise en compte de leurs parcelles dans le plan de zone précité visait à prévoir une image globale de l'urbanisation projetée et des mesures sur un périmètre élargi, notamment en matière de circulation routière, ou de protection de l'environnement. Il était dès lors "indispensable de prendre en considération les secteurs enclavés dans les périmètres à développer". Le 21 juin 2005, le Conseil municipal de la commune de Thônex (ci-après: le Conseil municipal) a délivré un préavis défavorable à l'avant-projet de loi et au plan de zone n° 29460-537. B. Le 10 janvier 2008, le Conseil d'Etat du canton de Genève (ci-après: le Conseil d'Etat) a déposé devant le Grand Conseil du canton de Genève (ci-après: le Grand Conseil) le projet de loi n° 10189 modifiant les limites de zones sur le territoire de la commune de Thônex (ci-après: le PL n° 10189), selon le plan de zone n° 29460-537. La procédure d'opposition au PL n° 10189 a été ouverte le 1er février 2008 et a donné lieu à plus de 300 oppositions, dont celle de la commune de Thônex ainsi que celles de A._ et consorts. Parallèlement, le Département avait élaboré un avant-projet relatif au "Plan directeur de quartier horizon 15 ans n° 29677 PAC Mon Idée-Communaux d'Ambilly" (ci-après: le PDQ n° 29677), dont une version remaniée avait abouti en novembre 2007. Le 18 mars 2008, le Conseil municipal a adopté une résolution par laquelle il décidait notamment "d'approuver le [PDQ n° 29677] élaboré par le Département en novembre 2007, sous condition des réserves formulées dans le préavis technique [de l'autorité exécutive de cette commune] du 8 février 2008". Cette résolution a été communiquée le 19 mars 2008 aux membres de la commission d'aménagement du canton, chargée d'examiner le PL n° 10189. La procédure de consultation publique du projet de PDQ n° 29677 a été ouverte du 4 avril au 5 mai 2008. Les parcelles, propriétés de A._ et consorts, bien que comprises dans le périmètre du plan de zone n° 29460-537, ne font pas partie du périmètre du PDQ n° 29677, quand bien même elles le jouxtent. Par lettre du 23 avril 2008 adressée au Conseil administratif de la commune de Thônex, le Conseil d'Etat a pris acte de l'accord intervenu sur les principes généraux du PDQ n° 29677 et confirmé qu'il serait tenu compte des remarques émises dans le cadre du préavis précité. C. Le 13 juin 2008, suivant le rapport de la commission d'aménagement du canton, le Grand Conseil a adopté la loi n° 10189 modifiant les limites de zones sur le territoire de la commune de Thônex (création d'une zone de développement 3 et d'une zone de bois et forêts au lieu-dit "Les Communaux d'Ambilly"), selon le plan de zone n° 29460-537. L'art. 4 al. 1 let. c de la loi rejetait les oppositions formées notamment par A._ et consorts. Par résolution du 24 juin 2008, le Conseil municipal a formellement adopté le PDQ n° 29677 et le Conseil d'Etat l'a approuvé par arrêté du 27 août 2008. Le Conseil d'Etat a promulgué la loi n° 10189, par arrêté du 2 septembre 2008, publié dans la Feuille d'avis officielle du 8 septembre 2008. D. A._ et consorts ont interjeté recours auprès du Tribunal administratif du canton de Genève (ci-après: le Tribunal administratif) contre la loi n° 10189 et conclu à son annulation. Par décision du 18 décembre 2008, le Tribunal administratif a ordonné l'appel en cause de l'Etat de Genève, propriétaire des parcelles d'une surface totale de 143'000 m2, comprises dans le périmètre du plan de zone querellé. Le 29 avril 2009, le Tribunal administratif a procédé à une inspection locale en présence des parties. Par arrêt du 25 août 2009, il a rejeté le recours. E. Agissant par la voie du recours en matière de droit public, A._ et consorts demandent au Tribunal fédéral d'annuler cet arrêt et la loi n° 10189. Ils se plaignent d'une violation des art. 33 al. 3 lit. b et 15 de la loi fédérale sur l'aménagement du territoire du 22 juin 1979 (LAT; RS 700). Ils soutiennent également que la modification des limites de zone porte atteinte à leur droit de propriété, en violation des garanties des art. 8, 26 al. 1 et 36 Cst. Le Grand Conseil et le Département des constructions et des technologies de l'information concluent au rejet du recours. Le Tribunal administratif persiste dans les considérants et le dispositif de son arrêt.