Faits :
A.
A._ est propriétaire de la parcelle n° 1891 de la Commune de Choulex (GE), d'une surface de 945 m2, située en zone agricole, au nord du village de Choulex. Elle comporte un chalet de 75 m2 construit en 1939 avec cuisine, salon, chambre, réduit, salle de bain et WC, combles non aménagés et cave. Le 22 novembre 2014, la propriétaire a demandé au département cantonal compétent l'autorisation de rénover la maison et de l'agrandir de 7,3 m2 à l'intérieur et de 26 m2 à l'extérieur (prolongation de la toiture). Par décision du 10 août 2016, le département a accordé l'autorisation.
B.
La Commune de Choulex (ci-après: la commune) a recouru contre cette décision. Elle admettait que la mère de la constructrice avait eu son domicile légal entre 1984 et 2010 dans le bâtiment litigieux; toutefois, les employés et voisins pouvaient attester que la maison était occupée à peine quelques week-ends par année.
Par jugement du 18 janvier 2017, le Tribunal administratif de première instance (TAPI) a rejeté le recours. Le bâtiment était en parfait état et les éléments du dossier faisaient apparaître qu'il était occupé en permanence; l'agrandissement était mesuré et il n'y avait pas de changement d'affectation.
C.
Par arrêt du 30 janvier 2018, la Chambre administrative de la Cour de justice du canton de Genève a rejeté le recours formé par la Commune, après avoir renoncé à l'audition de témoins requise par les parties afin de démontrer l'usage (temporaire ou permanent) du bâtiment. L'autorisation délivrée en 1939 concernait une maison de vacances, mais le département avait admis, la même année, une affectation en tant qu'habitation. Indépendamment de la nature temporaire ou non de l'occupation par les propriétaires successifs, le caractère habitable avait été conservé et les travaux n'avaient pas pour objet de modifier l'affectation prévue.
D.
Statuant par arrêt 1C_118/2018 du 12 mars 2019, le Tribunal fédéral a admis le recours formé par la Commune contre l'arrêt du 30 janvier 2018. Dès lors qu'il ne pouvait pas être établi avec certitude qu'une affectation en habitation permanente avait été autorisée à l'origine, en 1939, la question de l'usage effectif du bâtiment apparaissait déterminante au sens des art. 24c de la loi fédérale sur l'aménagement du territoire du 22 juin 1979 (LAT; RS 700) et 42 al. 3 let. c de l'ordonnance fédérale sur l'aménagement du territoire du 28 juin 2000 (OAT; RS 700.1). Dans ce contexte, les instances cantonales ne pouvaient pas faire l'économie des moyens de preuves proposés par la commune recourante et par l'intimée, qui toutes deux avaient demandé l'audition de témoins dans le but d'accréditer leurs thèses quant à l'usage effectif du bâtiment jusqu'alors, à savoir l'utilisation de celui-ci comme maison de week-end selon la Commune, respectivement comme habitation permanente selon l'intimée. Le grief de la Commune tiré d'une violation de son droit d'être entendue était donc fondé, ce qui conduisait à l'annulation de l'arrêt cantonal. Il appartenait ainsi aux instances cantonales, à qui la cause devait être renvoyée, de procéder à l'administration des preuves requises avant de rendre une nouvelle décision (cf. arrêt 1C_118/2018 précité consid. 2.6).
E.
Par arrêt du 28 mai 2019, la Cour de justice a annulé le jugement du TAPI du 18 janvier 2017 et a renvoyé la cause à cette juridiction pour qu'elle procède aux actes d'instruction nécessaires, puis qu'elle prononce un nouveau jugement.
Après avoir notamment auditionné divers témoins, le TAPI a rejeté, par jugement du 21 janvier 2020, le recours que la Commune avait formé contre l'autorisation de construire délivrée le 10 août 2016.
Statuant par arrêt du 4 août 2020, la Cour de justice a admis le recours de la Commune contre ce jugement. Celui-ci a été annulé, de même que l'autorisation de construire du 10 août 2016.
F.
A._ forme un recours en matière de droit public au Tribunal fédéral contre l'arrêt du 4 août 2020. Elle conclut, avec suite de frais et dépens, principalement à sa réforme en ce sens que le jugement du TAPI du 21 janvier 2020 est confirmé. Subsidiairement, elle conclut à l'annulation de l'arrêt et au renvoi de la cause à la Cour de justice pour nouvelle décision.
Invitée à se déterminer, la Commune conclut au rejet du recours. Le Département cantonal du territoire demande pour sa part l'admission du recours. La Cour de justice et l'Office fédéral du développement territorial (ARE) renoncent à formuler des observations, ce dernier relevant toutefois que l'arrêt du 4 août 2020 ne prêtait pas le flanc à la critique.
Aux termes d'un échange ultérieur d'écritures, les parties persistent dans leurs conclusions respectives.

Considérant en droit :
1.
Dirigé contre une décision finale (<ref-law>) prise en dernière instance cantonale (art. 86 al. 1 let. d LTF) dans le domaine du droit public des constructions (<ref-law>), le recours est en principe recevable comme recours en matière de droit public selon les <ref-law>, aucune des exceptions prévues à l'<ref-law> n'étant réalisée. La recourante a pris part à la procédure de recours devant la Cour de justice cantonale. En tant que destinataire du refus du permis de construire portant sur la rénovation et l'agrandissement de l'habitation sise sur la parcelle dont elle est la propriétaire, elle peut se prévaloir d'un intérêt personnel et digne de protection à l'annulation de l'arrêt attaqué. Elle bénéficie dès lors de la qualité pour recourir au sens de l'<ref-law>. Les autres conditions de recevabilité étant au surplus réunies, il convient d'entrer en matière.
2.
La recourante reproche à la cour cantonale d'avoir considéré que les travaux envisagés ne pouvaient pas être autorisés au regard des art. 24c LAT et 42 OAT.
2.1. Aux termes de l'art. 24c LAT, hors de la zone à bâtir, les constructions et installations qui peuvent être utilisées conformément à leur destination mais qui ne sont plus conformes à l'affectation de la zone bénéficient en principe de la garantie de la situation acquise (al. 1). L'autorité compétente peut autoriser la rénovation de telles constructions et installations, leur transformation partielle, leur agrandissement mesuré ou leur reconstruction, pour autant que les bâtiments aient été érigés ou transformés légalement (al. 2).
Le champ d'application de l'art. 24c LAT est restreint aux constructions et installations qui ont été érigées ou transformées conformément au droit matériel en vigueur à l'époque, mais qui sont devenues contraires à l'affectation de la zone à la suite d'une modification de la législation ou des plans d'aménagement (cf. <ref-law>). La date déterminante est en principe celle du 1er juillet 1972, date de l'entrée en vigueur de la loi fédérale du 8 octobre 1971 sur la protection des eaux contre la pollution, qui a introduit le principe de la séparation du territoire bâti et non bâti (<ref-ruling> consid. 4.2.1; arrêt 1C_162/2019 du 25 novembre 2019 consid. 3.1 et les références citées).
2.2. Selon l'<ref-law>, une transformation est considérée comme partielle et un agrandissement est considéré comme mesuré, au sens de l'art. 24c al. 2 LAT, lorsque l'identité de la construction ou de l'installation et de ses abords est respectée pour l'essentiel, sous réserve des améliorations d'ordre esthétique.
La question de savoir si l'identité de la construction ou de l'installation est respectée pour l'essentiel est à examiner en fonction de l'ensemble des circonstances (art. 42 al. 3, 1ère phrase, OAT). Tel est le cas lorsque la modification projetée sauvegarde dans ses traits essentiels les dimensions ainsi que l'apparence extérieure du bâtiment et qu'elle n'entraîne pas d'effets nouveaux notables sur l'affectation du sol, l'équipement et l'environnement. La transformation doit être d'importance réduite par rapport à l'état existant de l'ouvrage (<ref-ruling> consid. 3a; <ref-ruling> consid. 4; arrêt 1C_480/2019 du 16 juillet 2020 consid. 4.1).
La transformation envisagée doit en particulier respecter les limites chiffrées fixées par l'art. 42 al. 3 let. a et b OAT. L'art. 42 al. 3 let. c OAT - entré en vigueur le 1er novembre 2012 - précise encore que "les travaux de transformation ne doivent pas permettre une modification importante de l'utilisation de bâtiments habités initialement de manière temporaire". Cette dernière disposition s'inscrit dans la volonté d'éviter que les bâtiments habités de manière temporaire soient réaffectés, au titre de l'art. 24c LAT, à un usage d'habitation permanent. La démolition-reconstruction d'un bâtiment initialement habité de manière temporaire entraîne une modification importante de son utilisation, de même que l'installation d'un chauffage dans une construction jusque-là non chauffée ou le raccordement au réseau électrique d'une construction précédemment non raccordée (arrêt 1C_118/2018 du 12 mars 2019 consid. 2.4; Office fédéral du développement territorial, Rapport explicatif en lien avec la révision partielle de l'OAT, octobre 2012, ad <ref-law>, p. 10; cf. également RUDOLF MUGGLI, in Commentaire pratique LAT: Construire hors zone à bâtir, 2017, n. 33 ad art. 24c LAT).
2.3. En substance, après avoir examiné le contenu des témoignages recueillis par le TAPI, ensuite de l'arrêt de renvoi 1C_118/2018 du 12 mars 2019, la cour cantonale a retenu que la maison de la recourante avait jusqu'alors été utilisée comme une habitation temporaire, principalement à la belle saison. Or, les travaux envisagés, au regard de leur nature et de leur coût, visaient à la rendre habitable à l'année, consacrant ainsi une modification importante de son utilisation. Les travaux ne respectaient ainsi pas l'identité de la construction et ne pouvaient donc pas être autorisés en vertu des art. 24c LAT et 42 al. 1 et 3 let. c OAT (cf. arrêt attaqué, consid. 6 p. 22).
2.4. Si, dans son précédent arrêt, le Tribunal fédéral avait certes relevé que les critères qualitatifs et quantitatifs du projet de transformation n'étaient alors pas litigieux (cf. arrêt 1C_118/2018 précité consid. 2.7), il n'en demeure pas moins que, dans l'hypothèse où une utilisation temporaire de l'habitation devait être constatée après l'administration des moyens de preuve proposés par les parties, la cour cantonale devait encore déterminer si les travaux projetés impliquaient une modification importante de son utilisation initiale au sens de l'art. 42 al. 3 let. c OAT. Dans ce contexte, contrairement à ce que soutient la recourante, on ne voit pas que la cour cantonale a méconnu la portée de l'arrêt de renvoi, en violation de l'<ref-law>.
2.5. La recourante critique le raisonnement de l'autorité précédente, contestant en particulier que les travaux envisagés permettaient une modification importante de l'utilisation de la maison. Invoquant un établissement arbitraire des faits, elle fait en particulier grief à la cour cantonale de ne pas avoir considéré que l'habitation est en l'état déjà habitable à l'année, disposant de tout le confort nécessaire à cette fin.
2.5.1. Le Tribunal fédéral conduit son raisonnement juridique sur la base des faits constatés par l'autorité précédente (<ref-law>), sous réserve des cas prévus à l'<ref-law>. Selon l'<ref-law>, le recours ne peut critiquer les constatations de fait que si les faits ont été établis de façon manifestement inexacte - notion qui correspond à celle d'arbitraire - ou en violation du droit au sens de l'<ref-law> et si la correction du vice est susceptible d'influer sur le sort de la cause (<ref-ruling> consid. 6 p. 358; <ref-ruling> consid. 1.6 p. 377). Conformément à l'<ref-law>, la partie recourante doit expliquer de manière circonstanciée en quoi ces conditions seraient réalisées. A défaut, il n'est pas possible de tenir compte d'un état de fait qui diverge de celui qui est contenu dans l'acte attaqué (<ref-ruling> consid. 5.1 p. 356; arrêt 2C_793/2018 du 13 mars 2019 consid. 2).
S'agissant de l'appréciation des preuves et des constatations de fait, il y a arbitraire lorsque l'autorité ne prend pas en compte, sans raison sérieuse, un élément de preuve propre à modifier la décision, lorsqu'elle se trompe manifestement sur son sens et sa portée, ou encore lorsque, en se fondant sur les éléments recueillis, elle en tire des constatations insoutenables (<ref-ruling> consid. 2.3 p. 266).
2.5.2. L'autorité précédente a retenu que la maison de la recourante était déjà dotée des équipements principaux permettant son habitation (chambre à coucher, cuisine, toilettes, salle de bain) et qu'elle était de surcroît reliée au réseau électrique et à l'eau courante. Elle n'était en revanche actuellement pas équipée d'un système de chauffage central fonctionnel (cf. arrêt attaqué, consid. 6 p. 21).
2.5.3. Comme cela ressort de l'arrêt de renvoi (cf. arrêt 1C_118/2018 précité consid. 2.5 et 2.6), en l'absence d'éléments permettant d'établir si une utilisation permanente avait été valablement autorisée au moment de sa construction en 1939, le critère décisif pour déterminer, le cas échéant, si les travaux envisagés devaient répondre aux exigences de l'art. 42 al. 3 let. c OAT, se rapportait à l'utilisation effective de la maison - permanente ou temporaire - qui en avait été faite jusqu'alors par ses propriétaires successifs.
Sur ce point, quand bien même la mère de la recourante y avait été formellement domiciliée entre 1984 et son décès, survenu en 2010, l'autorité précédente n'a pas versé dans l'arbitraire en considérant, au regard des témoignages recueillis, que la maison n'avait servi qu'à une habitation temporaire. Ainsi, le frère de la recourante, B._, né en 1966, avait expliqué que ses parents avaient acquis la maison lorsqu'il était enfant, soit dans le courant des années 1970, sans se souvenir de l'année exacte. La famille passait alors à Choulex uniquement les week-ends et les vacances, vivant le reste du temps dans son appartement de Chêne-Bougeries (GE). Ses parents n'avaient jamais envisagé de déménager dans la maison de Choulex ce qui tenait déjà à l'exiguïté des lieux pour une famille de quatre personnes. C._, concierge depuis 2000 de l'école de Choulex - située à proximité de la maison -, qui avait effectué des travaux d'entretien pour le compte des parents de la recourante, avait pour sa part indiqué qu'ils n'y dormaient pas et qu'il ne les avait quasiment jamais rencontrés en hiver. Selon D._, maire de la Commune de 1995 à 2011 - la mairie se trouve également à proximité de la maison -, les parents n'y dormaient pas, ce qui allait également dans le sens du courrier du 29 octobre 2016 de E._, amie d'enfance de la mère de la recourante. Par ailleurs, s'agissant des précédents propriétaires, en l'occurrence les époux G._, deux anciens maires de la Commune (F._ et D._) avaient expliqué que ceux-là ne résidaient pas non plus dans l'habitation de façon permanente, puisqu'ils y vivaient entre six et huit mois par année (selon F._) et qu'ils n'y dormaient pas (selon D._; arrêt attaqué, consid. 6 p. 21).
2.5.4. A ce stade, s'il n'est pas contesté que le projet respecte les limites prévues par l'art. 42 al. 3 let. a et b OAT, il reste encore à déterminer si les travaux envisagés permettent une modification importante de l'utilisation du bâtiment habité initialement de manière temporaire (cf. art. 42 al. 3 let. c OAT), au mépris de l'identité de la construction (cf. <ref-law>). L'examen global requis dans ces circonstances permet notamment de prendre en compte la nature et l'intensité de son utilisation, ainsi que le coût des travaux, qui reflète souvent l'ampleur de l'intervention (RUDOLF MUGGLI, in Commentaire pratique LAT: Construire hors de la zone à bâtir, 2017, n. 28 ad art. 24c LAT).
A cet égard, l'autorité précédente a pris en considération le coût des travaux envisagés (520'000 fr., alors que la valeur vénale estimée du bien était de 380'000 fr.), qui dénotait selon elle une volonté de procéder à une transformation conséquente du bâtiment existant. Elle a également rappelé qu'outre à un léger agrandissement de la surface brute de plancher utile, les travaux visaient à la démolition de murs intérieurs, à la réfection du toit et à la pose de panneaux solaires, ce qui avait notamment pour but, à bien comprendre la cour cantonale, de modifier sensiblement l'enveloppe thermique du bâtiment. La recourante avait par ailleurs déjà procédé en octobre 2017, sans qu'une autorisation de construire lui avait été délivrée en l'état, à la démolition, puis à la reconstruction de la terrasse extérieure, pour lesquelles une excavation particulièrement importante avait été réalisée. Il ressort encore de l'arrêt entrepris que la recourante avait refusé d'approuver la proposition de la Commune intimée tendant à la constitution d'une servitude de droit public, à teneur de laquelle l'usage de la maison devait impérativement demeurer occasionnel en dépit de son agrandissement et de l'amélioration de son confort (cf. arrêt attaqué, consid. 6 p. 22).
Dans ces circonstances, la cour cantonale pouvait considérer que les travaux envisagés dans le cadre de l'autorisation de construire sollicitée avaient pour but de permettre à la recourante de vivre à l'année en sa maison de campagne, ceci dans un confort significativement accru par rapport à la situation qui prévalait jusqu'alors, ce qui était propre à modifier de manière importante l'utilisation du bâtiment en cause, qui avait initialement été habité de manière temporaire, durant les vacances et en fin de semaine, principalement à la belle saison. Compte tenu de l'ampleur du projet et des améliorations conséquentes que celui-ci visait à apporter au bâtiment, peu importe que, comme le soutient la recourante, son équipement actuel est en soi déjà suffisant, moyennant l'utilisation de radiateurs d'appoint (radiateurs à infra-rouge) durant les mois d'hiver ou encore de boilers pour obtenir de l'eau chaude, pour y permettre une habitation à l'année.
2.5.5. Au surplus, dans la mesure où les travaux faisant l'objet de l'autorisation de construire litigieuse, déposée en 2016, ne sont pas susceptibles d'être autorisés, il n'y a pas matière à examiner si ceux effectués en 2017 excluaient déjà une telle autorisation, au motif que les possibilités offertes par l'art. 24c LAT ne pouvaient être utilisées qu'une seule fois (cf. arrêt 1C_347/2014 du 16 janvier 2015 consid. 3.5; cf. également arrêt 1C_118/2018 précité consid. 2.7).
2.6. La cour cantonale n'a ainsi pas violé l'art. 24c LAT, ni l'<ref-law>, en refusant d'autoriser les travaux projetés par la recourante.
3.
Il s'ensuit que le recours doit être rejeté. Conformément à l'<ref-law>, les frais judiciaires sont mis à la charge de la recourante, qui succombe. Le Département en est exempté (<ref-law>). Quant à la Commune intimée, elle n'a pas droit à des dépens (<ref-law>).

Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce :
1.
Le recours est rejeté.
2.
Les frais judiciaires, arrêtés à 3000 fr., sont mis à la charge de la recourante. Il n'est pas alloué de dépens.
3.
Le présent arrêt est communiqué aux mandataires de la recourante et de la Commune de Choulex, au Département du territoire de la République et canton de Genève, à la Cour de justice de la République et canton de Genève, Chambre administrative, et à l'Office fédéral du développement territorial.
Lausanne, le 10 mai 2021
Au nom de la Ire Cour de droit public
du Tribunal fédéral suisse
Le Président : Kneubühler
Le Greffier : Tinguely