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.

Considérant en droit:
1. Dirigé contre une décision finale (art. 90 LTF) prise en dernière instance cantonale (art. 86 al. 1 let. d LTF) dans le domaine du droit public de l'aménagement du territoire (art. 82 let. a LTF), le recours est en principe recevable comme recours en matière de droit public selon les art. 82 ss LTF, aucune des exceptions prévues à l'art. 83 LTF n'étant réalisée. Les recourants ont pris part à la procédure de recours devant le Tribunal administratif. En tant que propriétaires de parcelles, comprises dans le périmètre du plan de zone litigieux, ils sont particulièrement touchés par l'arrêt attaqué qui confirme la loi n° 10189 prévoyant le déclassement de leurs biens-fonds en zone de développement 3. Ils peuvent ainsi se prévaloir d'un intérêt digne de protection à l'annulation de l'arrêt attaqué. Ils ont dès lors qualité pour agir au sens de l'art. 89 al. 1 LTF. Les autres conditions de recevabilité sont par ailleurs réunies, si bien qu'il y a lieu d'entrer en matière.
2. Les recourants reprochent d'abord au Grand Conseil d'avoir adopté la loi litigieuse avant que le PDQ n° 29677 ait été adopté par le Conseil d'Etat, ce qui contreviendrait à l'art. 10 al. 4 (ancien art. 11bis al. 4) de la loi d'application de la loi fédérale sur l'aménagement du territoire du 4 juin 1987 (LaLAT; RSG L 1 30). Le Grand Conseil aurait ainsi statué sur leur opposition sans disposer de cet instrument essentiel pour lui permettre d'exercer librement son pouvoir d'examen sous l'angle de l'opportunité. Ils se plaignent à cet égard d'une violation de l'art. 33 al. 3 lit. b LAT.
2.1 En vertu de l'art. 33 LAT, les cantons doivent instituer une protection juridique, en matière de plans d'affectation, et prévoir "qu'une autorité de recours au moins ait un libre examen" (art. 33 al. 3 let. b LAT). Ce libre examen ne se réduit pas à un contrôle complet de la constatation des faits et de l'application du droit: il comporte aussi un contrôle de l'opportunité. En matière d'aménagement du territoire, l'autorité cantonale de recours prévue par l'art. 33 al. 3 let. b LAT doit, dans le cadre du contrôle de l'opportunité, préserver la liberté d'appréciation de l'organe compétent pour adopter le plan. Dès lors, si la mesure d'aménagement est appropriée, elle doit être confirmée par l'autorité de recours, qui ne saurait lui substituer une autre solution également convenable (<ref-ruling> consid. 6.1 non publié; <ref-ruling> consid. 3b/aa p. 242; arrêt 1C_17/2008 du 13 août 2008 consid. 2.4.1, in SJ 2008 I 471). Le contrôle de l'opportunité s'exerce donc avec retenue sur des points concernant principalement des intérêts locaux, tandis que, au contraire, la prise en considération adéquate d'intérêts d'ordre supérieur, dont la sauvegarde incombe au canton, doit être imposée par un contrôle strict (ATF <ref-ruling> consid. 3b/aa p. 242).
L'"autorité de recours" au sens de l'art. 33 al. 3 let. b LAT ne doit pas nécessairement être une autorité de juridiction administrative chargée par le droit cantonal de statuer sur des recours stricto sensu. Une autorité compétente pour statuer sur des oppositions, par exemple un gouvernement cantonal, peut également satisfaire aux exigences du droit fédéral (ATF <ref-ruling> consid. 3b/bb p. 242).
En droit genevois, les plans directeurs localisés se subdivisent en deux catégories: d'une part, le plan directeur de quartier, initié le plus souvent par le département en charge de l'aménagement du territoire (art. 10 al. 2 et 4 LaLAT), d'autre part, le plan directeur communal, initié par les communes concernées et dont le cahier des charges est établi selon les directives du département (art. 10 al. 2 et 3 LaLAT). A teneur de l'art. 10 al. 8 (ancien art.11bis al. 8) LaLAT, "le plan directeur localisé adopté par une commune et approuvé par le Conseil d'Etat a force obligatoire pour ces autorités. Il ne produit aucun effet juridique à l'égard des particuliers, lesquels ne peuvent former aucun recours à son encontre, ni à titre principal, ni à titre préjudiciel. Pour autant que cela soit compatible avec les exigences de l'aménagement cantonal, les autorités cantonales, lors de l'adoption des plans d'affectation du sol relevant de leur compétence, veillent à ne pas s'écarter sans motifs des orientations retenues par le plan directeur localisé". L'exposé des motifs ayant conduit à l'adoption de cette disposition législative indique que "les plans directeurs localisés ont le caractère d'un outil de travail consensuel liant les autorités entre elles. Il ne s'agit pas d'un nouvel instrument formel d'aménagement du territoire, venant s'ajouter à ceux existants, pouvant être invoqué par des tiers dans le cadre de la procédure d'adoption des plans d'affectation du sol" (Mémorial des séances du Grand Conseil genevois [MGC] 2001 41/VIII 7366).
2.2 Les recourants ne contestent pas que le Grand Conseil est chargé de statuer en première instance cantonale de recours avec un libre pouvoir d'examen au sens de l'art. 33 al. 3 lit. b LAT, portant notamment sur l'opportunité. Ils dénoncent en revanche le fait que le Grand Conseil ait statué sur leur opposition sans connaître la teneur définitive du PDQ n° 29677, pour lui permettre d'exercer librement son pouvoir d'examen sous l'angle de l'opportunité. Ils considèrent que le Tribunal administratif aurait dû, soit retourner le dossier au Grand Conseil pour qu'il statue sur le moyen des recourants en toute connaissance de cause, soit élargir son pouvoir d'examen aux questions d'opportunité. En ne procédant pas de la sorte, il aurait violé l'art. 33 al. 3 lit. b LAT.
Dans l'arrêt attaqué, le Tribunal administratif a relevé qu'il n'y avait aucune trace, ni dans la LaLAT, ni dans le plan directeur cantonal d'une règle qui prescrirait l'obligation d'adopter préalablement un plan directeur de quartier, empêchant le Grand Conseil d'adopter un plan de zone en l'absence de plan directeur de quartier. Le législateur cantonal a désormais ancré ce principe à l'art. 11 al. 1 LaLAT, entré en vigueur le 9 juin 2009. Cette disposition précise en effet que "l'adoption d'un plan d'affectation du sol n'est pas subordonnée à celle, préalable, d'un plan directeur localisé". Lors de l'adoption d'un plan de zone, le Grand Conseil n'est donc aucunement lié par l'existence d'un plan directeur de quartier, à la procédure duquel il n'a d'ailleurs pas participé et qui porterait sur tout ou partie du périmètre dudit plan de zone.
De surcroît, l'instance précédente a ajouté que le Grand Conseil disposait d'assurances très précises de la part du Conseil municipal et du Conseil d'Etat, selon lesquelles le projet de PDQ n° 29677 serait vraisemblablement adopté en l'état, soit en excluant de son périmètre les parcelles des recourants. C'était donc en toute connaissance de cause que le Grand Conseil avait néanmoins décidé d'englober ces parcelles, considérant que par leur situation proche des voies de communication pressenties pour desservir le quartier, l'enclave dont elles faisaient partie se prêtait, à long terme, à une mesure de densification. Enfin, le Tribunal administratif a rappelé que, quand bien même un plan directeur localisé aurait été adopté préalablement à la loi litigieuse, le Grand Conseil restait libre de s'en distancer, aux conditions de l'art. 10 al. 8 LaLAT.
Dès lors que l'on peut discerner les motifs qui ont guidé la décision du Grand Conseil, l'art. 33 al. 3 lit. b LAT est respecté. Quand bien même le Grand Conseil aurait mésusé de son pouvoir d'appréciation, cela ne signifie pas pour autant qu'il n'ait pas disposé d'un tel pouvoir au moment de statuer, comme le prévoient le droit cantonal et l'art. 33 al. 3 lit. b LAT. Par conséquent, l'argumentation des recourants manque de pertinence, ce d'autant plus qu'ils ne contestent pas que le Grand Conseil n'est pas lié par l'existence d'un plan directeur de quartier lors de l'adoption d'un plan d'affectation. Sur le fond, les intéressés ne cherchent pas non plus à démontrer que le Grand Conseil n'avait pas connaissance du projet de PDQ n° 29677 excluant les parcelles des recourants, et qu'il ne pouvait escompter son adoption dans sa version mise à l'enquête publique.
Dans ces circonstances, le grief d'une prétendue violation de l'art. 33 al. 3 lit. b LAT en relation avec l'art. 10 LaLAT se révèle mal fondé.
3. Les recourants voient ensuite une violation de l'art. 15 LAT dans le fait que le PDQ n° 29677 "fixe, selon son intitulé lui-même, à l'horizon 15 ans les augmentations futures de l'aménagement de ce secteur". Dès lors qu'aucune urbanisation du quartier ne serait prévue pour les quinze prochaines années, le déclassement de leurs parcelles en zone de développement 3 violerait l'art. 15 LAT en créant une zone à bâtir de densité élevée, sans que la nécessité ne soit reconnue pour les quinze années à venir.
3.1 Aux termes de l'art. 15 LAT, les zones à bâtir comprennent les terrains propres à la construction qui sont déjà largement bâtis (lit. a) ou qui seront probablement nécessaires à la construction dans les quinze ans à venir et seront équipés dans ce laps de temps (lit. b). La notion de "terrains déjà largement bâtis" doit être comprise de manière étroite. Elle ne s'applique pas à n'importe quel groupe de constructions; il faut que l'on soit en présence d'un milieu bâti, qui présente les caractéristiques d'une "agglomération", avec les infrastructures habituelles ("Siedlungsstruktur"). Les critères à prendre en compte sont notamment le caractère compact de l'ensemble construit, les équipements, les liaisons avec les autres zones à bâtir ou l'infrastructure publique (<ref-ruling> consid. 4.1 p. 223; <ref-ruling> consid. 5a p. 424; <ref-ruling> consid. 2b p. 201; <ref-ruling> consid. 4d/da p. 451; arrêt 1C_225/2008 du 9 mars 2009 consid. 4.1 et les références citées).
3.2 En l'occurrence, les recourants ne contestent pas que leurs parcelles, toutes édifiées de villas et raccordées aux réseaux routiers communal et cantonal, sont largement bâties, au sens de l'art. 15 lit. a LAT. Ils se réfèrent cependant à la jurisprudence selon laquelle il faut veiller à ce que les zones qui sont définies à l'intérieur de la zone à bâtir soient dimensionnées de manière à répondre aux besoins des quinze ans à venir (<ref-ruling> consid. 3e p. 255 s.).
Or, comme l'a relevé pertinemment le Tribunal administratif, il ne s'agit pas en l'espèce d'un cas de surdimensionnement des zones à bâtir existantes dans un canton donné, mais de l'application du plan directeur cantonal adopté le 21 septembre 2001 par le Grand Conseil et approuvé le 14 mars 2003 par le Conseil fédéral, lequel préconise une meilleure utilisation des zones à bâtir pour faire face à la crise du logement.
Le fait que les parcelles des recourants ne soient pas comprises dans le périmètre du PDQ n° 29677 ne signifie pas que l'objectif d'une densification par une modification des limites de zone, fixé pour ces terrains par le plan directeur cantonal, serait devenu irréalisable. Sous l'angle de l'art. 15 lit. a LAT, seul importe le fait que le déclassement des terrains appartenant aux recourants soit expressément prévu par ledit plan directeur cantonal. Or, selon la carte du schéma directeur cantonal du plan directeur cantonal, mise à jour en 2006, les terrains bâtis des recourants figurent dans les parcelles appartenant à la 5ème zone villas, vouées à faire l'objet d'une mesure de densification par modification des limites de zone.
Ainsi, le changement d'affectation de zones à bâtir, à savoir le passage d'une zone villas à une zone de densité plus élevée, ne contrevient d'aucune manière à l'art. 15 LAT, le fait que le PDQ n° 29677 semble "fixer à l'horizon 15 ans les augmentations futures de l'aménagement de ce secteur" ne faisant aucunement obstacle à cette modification. Ce d'autant moins que les terrains appartenant aux recourants ne sont même pas compris dans le périmètre du PDQ n° 29677.
Ce grief tombe donc également à faux.
4. Les restrictions à la propriété que les plans d'affectation ont pour effet d'imposer doivent, pour être conformes à l'art. 26 Cst., reposer sur une base légale, se justifier par un intérêt public suffisant et respecter les principes de la proportionnalité et de l'égalité devant la loi (art. 36 al. 1 à 3 Cst.; <ref-ruling> consid. 4.1 p. 344 et les arrêts cités). Les recourants ne contestent pas la base légale du déclassement de leurs parcelles en zone de développement 3. Ils soutiennent en revanche que les restrictions à la garantie de la propriété, prévues dans la loi n° 10189 et applicables aux parcelles dont ils sont propriétaires, ne sont ni justifiées par un intérêt public (art. 36 al. 2 Cst.), ni proportionnées (art. 36 al. 3 Cst.).
4.1 Le Tribunal fédéral examine librement si une restriction de la propriété se justifie par un intérêt public suffisant et si cet intérêt l'emporte sur les intérêts privés auxquels il s'oppose; il jouit d'une même latitude lorsqu'il s'agit d'apprécier si une telle restriction viole le principe de la proportionnalité. Il s'impose en revanche une certaine retenue quand il convient de tenir compte de circonstances locales ou de trancher de pures questions d'appréciation (<ref-ruling> consid. 6.1 p. 181; <ref-ruling> consid. 4.3 p. 416 et les arrêts cités). Tel est notamment le cas lorsque le litige porte sur la délimitation des zones d'affectation (ATF <ref-ruling> consid. 4b/ba p. 448 et les arrêts cités). Le Tribunal fédéral n'est en effet pas l'autorité supérieure de planification et il n'a pas à substituer son appréciation à celle des autorités cantonales. Il doit néanmoins examiner, dans le cadre des griefs soulevés (art. 106 al. 2 LTF), si la décision attaquée se prononce de façon complète sur les motifs d'intérêt public invoqués pour justifier l'atteinte au droit de propriété et si, dans la pesée des intérêts, les intérêts privés ont été pris en considération de manière adéquate (cf. <ref-ruling> consid. 3b p. 275; <ref-ruling> consid. 4b p. 388, 394 consid. 2b p. 397 et les arrêts cités).
4.2 Les recourants ne contestent pas le fait que, vu la pénurie de logements que connaît le canton de Genève, la création de nouvelles zones de développement répond à un intérêt public prioritaire. Ils prétendent cependant que cette affirmation générale ne s'appliquerait pas au cas présent. Ils relèvent que selon le chiffre 2.12 du concept d'aménagement cantonal, il y a lieu, pour les terrains sis en 5ème zone "dans les cas qui s'y prêtent, de créer de nouvelles zones de développement sur certains secteurs déjà bâtis de la zone destinée aux villas". La nuance résiderait dans les mots "dans les cas qui s'y prêtent". Le PDQ n° 29677 démontrerait que les parcelles des recourants, exclues du périmètre de l'urbanisation projetée pour les quinze prochaines années, ne se prêteraient actuellement pas à une mesure de densification.
Les recourants perdent cependant de vue que le chiffre 2.12 susmentionné doit être mis en relation avec la carte du schéma directeur cantonal du plan directeur cantonal, laquelle désigne expressément les parcelles appartenant aux recourants comme étant vouées à faire l'objet d'une mesure de densification par modification des limites de zone. Dans ces circonstances, la cour cantonale pouvait, sans violer le droit fédéral, retenir que la loi querellée se justifiait par un intérêt public à la réalisation de logements dans un périmètre prévu à cet effet par la planification directrice cantonale.
4.3 Les recourants soutiennent ensuite que dans la pesée des intérêts en présence que commande l'application du principe de la proportionnalité, leur intérêt privé au maintien de leurs parcelles en 5ème zone de construction primerait l'intérêt public à une densification des terrains, le PDQ n° 29677 n'ayant pas prévu de projets d'urbanisation desdites parcelles pour les quinze prochaines années. Ils prétendent que le cadre légal strict applicable aux zones de développement (cf. loi générale sur les zones de développement du 29 juin 1957 [LGZD; RSG L 1 35]) restreindrait de manière disproportionnée l'exercice de leurs droits de propriétaires fonciers.
Il est vrai qu'il existe certaines contraintes inhérentes à la zone de développement, telles la nécessité en cas d'usage des normes de la zone de développement, d'adopter un plan localisé de quartier assorti d'un règlement de quartier prévoyant notamment la répartition des frais d'équipement entre propriétaires concernés (art. 3 et 4 LGZD) ou encore la possibilité de se voir opposer un refus conservatoire en cas d'importants travaux de transformation en application de l'art. 13B LaLAT. Cependant, l'affectation en zone de développement n'empêche pas les recourants qui le souhaitent de continuer à entretenir leur villa. Ce n'est que dans l'hypothèse où ils entendraient faire usage des normes relatives aux zones de développement qu'ils devront alors se conformer aux règles applicables à celles-ci. Pour le reste, ainsi que l'a relevé le Tribunal administratif, le déclassement des parcelles en zone de développement 3 n'emporte aucune interdiction de construire ou diminution du coefficient d'utilisation du sol. Au contraire, il permet une occupation plus intense du sol que ne l'autorise la 5ème zone. Cette densification du tissu bâti est conforme aux principes de la loi fédérale sur l'aménagement du territoire et, en particulier, à l'obligation d'assurer une utilisation mesurée du sol (cf. <ref-ruling> consid. 3c p. 304; <ref-ruling> consid. 3a p. 269; arrêt 1P.444/2001 du 29 novembre 2001 consid. 3b/bb in SJ 2002 I p. 318).
Dans ces circonstances, le Tribunal administratif pouvait considérer que l'intérêt public à la réalisation de logements dans un périmètre prévu à cet effet dans la planification directrice cantonale, l'emportait sur celui des recourants à maintenir à long terme leurs parcelles en zone de villa et que les restrictions à la garantie de la propriété, imposées par la loi n° 10189, n'étaient pas disproportionnées.
5. Les recourants se disent aussi victimes d'une inégalité de traitement (art. 8 Cst.) par rapport aux propriétaires de villas qui ont été exclus du périmètre du plan et maintenues en 5ème zone, alors même qu'ils se trouveraient dans une situation comparable à la leur. Le motif retenu pour justifier cette différence de traitement serait arbitraire et en "flagrante contradiction" avec le PDQ n° 29677.
5.1 Une décision viole le droit à l'égalité de traitement lorsqu'elle établit des distinctions juridiques qui ne se justifient par aucun motif raisonnable au regard de la situation de fait à réglementer ou lorsqu'elle omet de faire des distinctions qui s'imposent au vu des circonstances (<ref-ruling> consid. 3.4.2 p. 114; <ref-ruling> consid. 5.1 p. 125, 346 consid. 6 p. 357 et les arrêts cités). Ce principe n'a qu'une portée réduite dans l'élaboration des plans d'affectation. Il est dans la nature même de l'aménagement local que la délimitation des zones crée des inégalités et que des terrains de même situation et de même nature puissent être traités différemment en ce qui concerne tant leur attribution à une zone déterminée que leur possibilité d'utilisation. Du point de vue constitutionnel, il suffit que la planification soit objectivement soutenable, c'est-à-dire qu'elle ne soit pas arbitraire (<ref-ruling> consid. 6e/bb p. 249 et les arrêts cités).
5.2 Pour le Grand Conseil, la modification des limites de zones litigieuse visait pour l'essentiel à urbaniser, selon les normes d'une zone de développement 3, les terrains sis au nord du périmètre du plan de zone n° 299460-537. Dans cette optique, le Grand Conseil a démontré qu'il se justifiait de classer dans la même zone les terrains non bâtis des collectivités publiques et les parcelles bâties des recourants, lesquelles y sont en quelque sorte enclavées, pour des motifs d'unité urbanistique: leur situation différait de celle des bien-fonds sis à l'ouest ou à l'est du périmètre du plan de zone litigieux.
Comme relevé précédemment, cet élément est d'ailleurs expressément prévu par la carte du schéma directeur cantonal du plan directeur cantonal. Dans la mesure où l'intégration des parcelles des recourants dans le périmètre de la zone de développement se justifie par des arguments objectivement défendables, on ne saurait parler d'arbitraire. Le Tribunal administratif pouvait donc considérer que cette solution n'apparaissait pas, compte tenu de la marge d'appréciation laissée aux autorités communales et cantonales dans ce domaine, dénuée de toute pertinence au regard des buts et des principes de l'aménagement du territoire qui doivent dicter le choix des autorités de planification dans la délimitation des zones. Dans ces conditions, le fait que le PDQ n° 29677 n'englobe pas les parcelles des recourants dans son périmètre ne permet pas, à lui seul, d'établir que la planification litigieuse serait insoutenable. Partant, le grief d'inégalité de traitement doit être écarté.
6. Il s'ensuit que le recours doit être rejeté. Les recourants, qui succombent, doivent supporter les frais judiciaires (art. 65 et 66 LTF). Le Grand Conseil n'a pas droit à des dépens (art. 68 al. 3 LTF).

Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté.
2. Les frais judiciaires, arrêtés à 3'000 francs, sont mis à la charge des recourants.
3. Le présent arrêt est communiqué au mandataire des recourants ainsi qu'au Département des constructions et des technologies de l'information, au Grand Conseil, et au Tribunal administratif du canton de Genève.
Lausanne, le 11 mars 2010
Au nom de la Ire Cour de droit public
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: La Greffière:
Féraud Tornay Schaller